基于NI PXI技術(shù)的無線電監(jiān)測接收機技術(shù)介紹

一個無線監(jiān)測接收系統(tǒng)的主要指標應(yīng)該包括：動態(tài)范圍、靈敏度、本底噪聲*、解調(diào)模式等。下文將詳細介紹NI RF產(chǎn)品的上述指標。

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)。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開發(fā)不同的應(yīng)用程序。

為了滿足日益變化的測試需求，這個架構(gòu)是最適合的。

圖1 NI的射頻架構(gòu)

PXI 5660的架構(gòu)

PXI 5660 是一個基于PXI技術(shù)標準的射頻信號分析儀。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 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5MHz～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。

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（見圖4）。

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 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。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?；祛l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。混頻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20MHz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）進行FFT計算。

表1是對頻譜分析儀和矢量分析儀的詳細比較：

表1 頻譜分析儀與矢量分析儀的詳細比較

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)標準的技術(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準，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)。

PIB、VXI、PCI和PXI總線的比較

圖8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。

表2 GPIB、VXI、PCI和PXI總線的比較

（1）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。

（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，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)界最先進的技術(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)的最新總線標準。

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。