基于NI PXI技術(shù)的無(wú)線電接收機(jī)技術(shù)簡(jiǎn)介
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作者：NI中國(guó) 技術(shù)市場(chǎng)工程師 徐赟
無(wú)線射頻接收機(jī)是一個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，它負(fù)責(zé)從天線上接收射頻能量，然后把信號(hào)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(duì)信號(hào)進(jìn)行諸如掃頻、頻譜分析、功率計(jì)算、調(diào)制和解調(diào)參數(shù)分析的操作。一個(gè)無(wú)線監(jiān)測(cè)接收系統(tǒng)的主要指標(biāo)應(yīng)該包括：動(dòng)態(tài)范圍、靈敏度、本底噪聲*、解調(diào)模式等。后面會(huì)詳細(xì)介紹NI RF產(chǎn)品的上述指標(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(hào)分析儀PXI 5660、射頻信號(hào)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(hào)調(diào)制解調(diào)工具包）（見(jiàn)圖1）。由于PXI平臺(tái)是基于PC技術(shù)的，用戶(hù)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(tái)還增加了專(zhuān)為測(cè)試測(cè)量應(yīng)用定制的定時(shí)和觸發(fā)總線，并具備堅(jiān)固性、低功耗、電磁兼容性等特性。PC技術(shù)允許用戶(hù)使用通用的操作系統(tǒng)和靈活的軟件架構(gòu)。您可以使用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(lái)開(kāi)發(fā)不同的應(yīng)用程序。
為了滿足日益變化的測(cè)試需求，這個(gè)架構(gòu)是最適合的。
圖1 NI的射頻架構(gòu)
PXI 5660的架構(gòu)
PXI 5660 是一個(gè)基于PXI技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的射頻信號(hào)分析儀。它具有模塊化儀器的架構(gòu)，其中包括一個(gè)寬帶射頻的下變頻器、一個(gè)高純度的中頻數(shù)字化儀和進(jìn)行頻譜測(cè)量和調(diào)制解調(diào)的軟件工具包。
采集一個(gè)射頻信號(hào)包括兩個(gè)步驟：下變頻和數(shù)字化。
下變頻模塊PXI 5600擁有20MHz的實(shí)時(shí)帶寬，可以把信號(hào)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(gè)高速的ADC和板上的硬件處理能力。它由一個(gè)14位的64 MS/s的 ADC和一個(gè)數(shù)字下變頻集成電路組成。這個(gè)數(shù)字下變頻芯片可以進(jìn)行實(shí)時(shí)批處理，并將任何20MHz帶寬的信號(hào)降頻到基帶信號(hào)，這對(duì)于捕捉無(wú)線通訊的信號(hào)來(lái)說(shuō)是非常理想的。同時(shí)，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(zhuān)為數(shù)據(jù)傳輸設(shè)計(jì)的具有NI專(zhuān)利的高速M(fèi)iniMITE 集成電路。MiniMITE通過(guò)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(jiàn)圖2）。
圖2 PXI-5660 硬件架構(gòu)
下變頻模塊首先對(duì)任何一個(gè)3GHz范圍內(nèi)的信號(hào)進(jìn)行用戶(hù)可選擇的衰減，然后進(jìn)入升頻階段。得到的信號(hào)再經(jīng)過(guò)一個(gè)諧振濾波器，這是為了在信號(hào)進(jìn)入多級(jí)的降頻模塊前濾去鏡像抑制。經(jīng)過(guò)降頻的信號(hào)以5MHz～25 MHz的中頻信號(hào)輸出。下變換器使用一個(gè)高穩(wěn)定度、高精度的恒溫晶體振蕩器來(lái)驅(qū)動(dòng)其它的系統(tǒng)時(shí)鐘并提供±50 ppb 的頻率精度。
為了能夠用在PXI中，NI使用了一個(gè)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(hào)。YIG晶體振蕩器可以產(chǎn)生非常純的高頻信號(hào)。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(gè)領(lǐng)域使用了突破性的技術(shù)，設(shè)計(jì)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(hù)調(diào)節(jié)到他們想要的頻率范圍內(nèi)去（見(jiàn)圖4）。
PXI 5660精妙的頻率調(diào)節(jié)和多級(jí)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(dòng)態(tài)范圍。
NI RF解決方案的優(yōu)勢(shì)
頻譜分析儀 Vs 矢量信號(hào)分析儀
NI定義的RF解決方案是一個(gè)軟件定義的系統(tǒng)，它是根據(jù)用戶(hù)的要求通過(guò)軟件來(lái)定制測(cè)量硬件的功能。因此，NI 5660就是我們熟知的軟件無(wú)線電平臺(tái)。它既可以作為一個(gè)高性能無(wú)線接收器（正如用于射頻監(jiān)測(cè)的儀器），也可以作為一個(gè)矢量信號(hào)分析儀（如用于射頻信號(hào)測(cè)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(gè)混頻器，把RF輸入和一個(gè)頻率十分接近所需RF頻率的可調(diào)振蕩器進(jìn)行混頻�；祛l器是一個(gè)模擬乘法器，在輸出端產(chǎn)生和頻和差頻信號(hào)。頻率較高的和頻信號(hào)由檢波器輸出端的一個(gè)濾波器進(jìn)行濾波；頻率較低的差頻信號(hào)則輸出給檢波電路。檢波器的輸出由一個(gè)低速的ADC轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)�；祛l器和低通濾波器由可調(diào)振蕩器驅(qū)動(dòng)組成一個(gè)可調(diào)濾波器。混頻器輸出端的低通濾波器的帶寬決定頻譜顯示時(shí)頻率軸的頻譜分辨率。
矢量信號(hào)分析儀是一個(gè)寬頻的儀器。它不需要對(duì)一個(gè)模擬濾波器進(jìn)行掃頻用來(lái)顯示頻譜，而是對(duì)所選擇的頻譜塊對(duì)應(yīng)的時(shí)域信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化，因此得出的頻譜會(huì)包含相位信息。所有的頻率同時(shí)被一個(gè)寬頻的濾波器進(jìn)行捕獲，然后進(jìn)行復(fù)雜的FFT運(yùn)算，而不是像頻譜分析儀用窄帶濾波器和電壓計(jì)對(duì)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(gè)矢量信號(hào)分析儀。這意味著我們可以同時(shí)采集大量的20MHz帶寬的頻譜信號(hào)。矢量信號(hào)分析儀的優(yōu)勢(shì)在于：
�。�1）在相同時(shí)間內(nèi)采集更多的數(shù)據(jù)，使得基礎(chǔ)測(cè)量要快很多。
�。�2）在很寬的帶寬下數(shù)字化的信號(hào)包含頻率信息。
�。�3）對(duì)數(shù)字化的信號(hào)（幅度和相位）進(jìn)行FFT計(jì)算。
表1是對(duì)頻譜分析儀和矢量分析儀的詳細(xì)比較：
表1 頻譜分析儀與矢量分析儀的詳細(xì)比較
PXI平臺(tái)的優(yōu)勢(shì)
PXI是PCI eXtensions for Instrumentation的縮寫(xiě)。PXI的主要優(yōu)勢(shì)在于它利用了已經(jīng)驗(yàn)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(lèi)似VXI所具有的定時(shí)、觸發(fā)和同步功能。為了便于集成，PXI采用了開(kāi)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(dòng)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。
PIB、VXI、PCI和PXI總線的比較
圖8對(duì)當(dāng)今主要的測(cè)試平臺(tái)－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(tái)的尺寸、價(jià)格和總線速率的優(yōu)勢(shì)，并配之以GPIB和VXI作為儀器規(guī)范的特性，使得用戶(hù)能夠同時(shí)擁有這兩方面的強(qiáng)大優(yōu)勢(shì)。
表2 GPIB、VXI、PCI和PXI總線的比較
（1）PXI和VXI的市場(chǎng)占有率
回首過(guò)去幾年P(guān)XI和VXI的市場(chǎng)占有率，VXI幾乎一直維持相同的市場(chǎng)占有率，而PXI則增長(zhǎng)迅猛，并于2002年超過(guò)VXI的市場(chǎng)占有率。行業(yè)專(zhuān)家預(yù)測(cè)這樣的增長(zhǎng)將繼續(xù)維持下去。
（2）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(huì)，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(mài)給了VXI Technology公司，并于去年發(fā)布了它們第一快基于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(xiāo)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(duì)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(jià)格比。此外，因?yàn)榻柚赑C技術(shù)，PXI將會(huì)根據(jù)業(yè)界最先進(jìn)的技術(shù)（如PCI Express）來(lái)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(hù)可以最少的投資隨時(shí)升級(jí)整個(gè)測(cè)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(cè)試測(cè)量行業(yè)的最新總線標(biāo)準(zhǔn)。
總結(jié)
NI射頻信號(hào)分析儀—PXI 5660并非傳統(tǒng)的頻譜分析儀，而是一個(gè)高性能的軟件無(wú)線電平臺(tái)（同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)無(wú)線電接收機(jī)、頻譜分析儀和矢量信號(hào)分析儀的功能）。和傳統(tǒng)的無(wú)線電監(jiān)測(cè)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(qiáng)大的圖形化編程語(yǔ)言LabVIEW，無(wú)線射頻接收監(jiān)測(cè)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(gè)新的時(shí)代：軟件無(wú)線電，它在高性能硬件保證信號(hào)低失真數(shù)字化的前提下，充分發(fā)揮軟件平臺(tái)和計(jì)算機(jī)處理器的強(qiáng)大優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)諸如解調(diào)、參數(shù)計(jì)算、閾值監(jiān)測(cè)等各種功能。
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