基于NI PXI技術的無線電接收機技術簡介

　　　　　　　　　　　　作者：NI中國 技術市場工程師 徐赟

　　無線射頻接收機是一個監測系統，它負責從天線上接收射頻能量，然后把信號頻率降到數字化儀可接收的范圍內進行采集，隨后就可以對信號進行諸如掃頻、頻譜分析、功率計算、調制和解調參數分析的操作。一個無線監測接收系統的主要指標應該包括：動態范圍、靈敏度、本底噪聲*、解調模式等。后面會詳細介紹NI RF產品的上述指標。
NI射頻架構綜述
　　NI的射頻架構基于虛擬儀器技術的概念，它包括：高性能的模塊化硬件（射頻信號分析儀PXI 5660、射頻信號發生器PXI 5670）以及高靈活性的軟件架構（LabVIEW、頻譜分析工具包、信號調制解調工具包）（見圖1）。由于PXI平臺是基于PC技術的，用戶完全可以利用PC技術的高速發展，例如高速的CPU、大容量的內存、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用定制的定時和觸發總線，并具備堅固性、低功耗、電磁兼容性等特性。PC技術允許用戶使用通用的操作系統和靈活的軟件架構。您可以使用LabVIEW圖形化編程環境和調制解調工具包等附加工具包來開發不同的應用程序。
　　為了滿足日益變化的測試需求，這個架構是最適合的。

　　　　　　　　　　　　　　　　　圖1 NI的射頻架構
PXI 5660的架構
　　PXI 5660 是一個基于PXI技術標準的射頻信號分析儀。它具有模塊化儀器的架構，其中包括一個寬帶射頻的下變頻器、一個高純度的中頻數字化儀和進行頻譜測量和調制解調的軟件工具包。
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和一個數字下變頻集成電路組成。這個數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生復雜的I/Q數據。數字化儀模塊包括了專為數據傳輸設計的具有NI專利的高速MiniMITE 集成電路。MiniMITE通過DMA方式將數據直接傳輸到主機的內存上，從而釋放主機CPU以進行數據的分析、顯示和通訊任務（見圖2）。

　　　　　　　　　　　　　　　圖2 PXI-5660 硬件架構
　　下變頻模塊首先對任何一個3GHz范圍內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定度、高精度的恒溫晶體振蕩器來驅動其它的系統時鐘并提供±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生本振信號。YIG晶體振蕩器可以產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。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在這個領域使用了突破性的技術，設計使用了非常小的YIG晶體振蕩器。YIG的頻率帶寬也是可調的，允許用戶調節到他們想要的頻率范圍內去（見圖4）。
　　PXI 5660精妙的頻率調節和多級的架構保證了其寄生響應（spurious response）遠低于傳統儀器的動態范圍。
NI RF解決方案的優勢
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，它是根據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用的儀器）。
　　傳統的頻譜分析儀使用一種叫做“掃頻調諧”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頻率的可調振蕩器進行混頻?；祛l器是一個模擬乘法器，在輸出端產生和頻和差頻信號。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轉化為數字信號。混頻器和低通濾波器由可調振蕩器驅動組成一個可調濾波器?；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的時域信號進行數字化，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和大多數頻譜分析儀最大的區別之一就是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勢在于：
　?。?）在相同時間內采集更多的數據，使得基礎測量要快很多。
　?。?）在很寬的帶寬下數字化的信號包含頻率信息。
　　（3）對數字化的信號（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平臺的優勢
　　PXI是PCI eXtensions for Instrumentation的縮寫。PXI的主要優勢在于它利用了已經驗證的符合工業標準的技術。PXI建立在高速的CompactPCI總線基礎之上，并加入了類似VXI所具有的定時、觸發和同步功能。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，即插即用的驅動和網絡技術。
　　PIB、VXI、PCI和PXI總線的比較
圖8對當今主要的測試平臺－GPIB, VXI, PCI和PXI 的一些重要參數進行了比較。PXI利用了PC平臺的尺寸、價格和總線速率的優勢，并配之以GPIB和VXI作為儀器規范的特性，使得用戶能夠同時擁有這兩方面的強大優勢。

　　　　　　　　　　　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PXI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。行業專家預測這樣的增長將繼續維持下去。
（2）眾多知名企業放棄VXI而采用PXI
　　1987年7月，五家企業于創建了VXI聯盟并舉辦了第一次例會，這五家企業是：Colorado Data Systems、Hewlett-Packard、Racal-Dana Instruments（現在是 Racal Instruments, Inc.）、Tektronix和Wavetek。如今，Colorado Data Systems、Tektronix和Wavetek都已經退出了VXI聯盟；Hewlett-Packard（現在是Agilent） 也已經將它們的VXI產品線賣給了VXI Technology公司，并于去年發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系統聯盟）的發起成員并大量銷售PXI產品；Tektronix也將虛擬儀器技術用于它們的Open Windows示波器；PXI系統聯盟 持續擴大其成員隊伍，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，PXI將會根據業界最先進的技術（如PCI Express）來不斷更新其產品，相反，VXI則已經停止了其主要技術的更新。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。如此優良的擴展性，靈活的軟件架構使得基于PXI的系統集成變得更加容易。因此，PXI總線正在逐步取代VXI總線成為測試測量行業的最新總線標準。
總結
　　NI射頻信號分析儀—PXI 5660并非傳統的頻譜分析儀，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）。和傳統的無線電監測接收機相比，NI基于PXI的射頻系統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，無線射頻接收監測系統已經從傳統上硬件定義系統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字化的前提下，充分發揮軟件平臺和計算機處理器的強大優勢，實現諸如解調、參數計算、閾值監測等各種功能。