基于NI PXI技术的无线电接收机技术

　　概述

　　无线射频接收机是一个监测系统，它负责从天线上接收射频能量，然后把信号频率降到数字化仪可接收的范围内进行采集，随后就可以对信号进行诸如扫频、频谱分析、功率计算、调制和解调参数分析的操作。一个无线监测接收系统的主要指标应该包括：动态范围、灵敏度、本底噪声、解调模式等。此文将详细介绍基于NI PXI技术的无线电接收机技术指标。

　　NI射频架构综述

　　NI的射频架构基于虚拟仪器技术的概念，它包括：高性能的模块化硬件(射频信号分析仪PXI-5660、射频信号发生器PXI-5670)以及高灵活性的软件架构(LabVIEW、频谱分析工具包、信号调制解调工具包)(见图1)。由于PXI平台是基于PC技术的，用户完全可以利用PC技术的高速发展，例如高速的CPU、大容量的内存、高分辨率的显示器等等。除此之外，PXI平台还增加了专为测试测量应用定制的定时和触发总线，并具备坚固性、低功耗、电磁兼容性等特性。PC技术允许用户使用通用的操作系统和灵活的软件架构。用户可以使用LabVIEW图形化编程环境和调制解调工具包等附加工具包来开发不同的应用程序。


图1 NI的射频架构

　　为了满足日益变化的测试需求，这个架构是最适合的。

　　PXI-5660的架构

　　PXI-5660 是一个基于PXI技术标准的射频信号分析仪。它具有模块化仪器的架构，其中包括一个宽带射频的下变频器、一个高纯度的中频数字化仪和进行频谱测量和调制解调的软件工具包。

　　采集一个射频信号包括两个步骤：下变频和数字化。

　　下变频模块PXI-5600拥有20 MHz的实时带宽，可以把信号频率下变频到以15 MHz为中心频率，范围在5~25 MHz之间。

　　数字化仪模块PXI-5620拥有一个高速的ADC和板上的硬件处理能力。它由一个14位的64 MS/s的 ADC和一个数字下变频集成电路组成。这个数字下变频芯片可以进行实时批处理，并将任何20 MHz带宽的信号降频到基带信号，这对于捕捉无线通讯的信号来说是非常理想的。同时，下变频集成电路也可以从频谱中产生复杂的I/Q数据。数字化仪模块包括了专为数据传输设计的具有NI专利的高速MiniMITE 集成电路。MiniMITE通过DMA方式将数据直接传输到主机的内存上，从而释放主机CPU以进行数据的分析、显示和通讯任务(见图2)。


图2 PXI-5660 硬件架构

　　下变频模块首先对任何一个3 GHz范围内的信号进行用户可选择的衰减，然后进入升频阶段。得到的信号再经过一个谐振滤波器，这是为了在信号进入多级的降频模块前滤去镜像抑制。经过降频的信号以5 MHz_25 MHz的中频信号输出。下变换器使用一个高稳定度、高精度的恒温晶体振荡器来驱动其它的系统时钟并提供±50 ppb 的频率精度。


表1是对频谱分析仪和矢量分析仪的详细比较

　　为了能够用在PXI中，NI使用了一个微型高性能的、基于YIG的晶体振荡器为高频的升频阶段产生本振信号。YIG晶体振荡器可以产生非常纯的高频信号。YIG代表了钇铁石榴石材料，它是组成晶体振荡器中谐振腔的基础。虽然YIG晶体振荡器在尺寸上可以改变，但往往还是占很大面积，而NI 5600在这个领域使用了突破性的技术，设计使用了非常小的YIG晶体振荡器。YIG的频率带宽也是可调的，允许用户调节到他们想要的频率范围内去。

　　PXI-5660精妙的频率调节和多级的架构保证了其寄生响应(spurious response)远低于传统仪器的动态范围。

　　NI RF解决方案的优势

　　频谱分析仪 Vs 矢量信号分析仪

　　NI定义的RF解决方案是一个软件定义的系统，它是根据用户的要求通过软件来定制测量硬件的功能。因此，NI PXI-5660就是我们熟知的软件无线电平台。它既可以作为一个高性能无线接收器(正如用于射频监测的仪器)，也可以作为一个矢量信号分析仪(如用于射频信号测量应用的仪器)。

　　传统的频谱分析仪使用一种叫做“扫频调谐”的方法。RF前端有一个混频器，把RF输入和一个频率十分接近所需RF频率的可调振荡器进行混频。混频器是一个模拟乘法器，在输出端产生和频和差频信号。频率较高的和频信号由检波器输出端的一个滤波器进行滤波；频率较低的差频信号则输出给检波电路。检波器的输出由一个低速的ADC转化为数字信号。混频器和低通滤波器由可调振荡器驱动组成一个可调滤波器。混频器输出端的低通滤波器的带宽决定频谱显示时频率轴的频谱分辨率。

　　矢量信号分析仪是一个宽频的仪器。它不需要对一个模拟滤波器进行扫频用来显示频谱，而是对所选择的频谱块对应的时域信号进行数字化，因此得出的频谱会包含相位信息。所有的频率同时被一个宽频的滤波器进行捕获，然后进行复杂的FFT运算，而不是像频谱分析仪用窄带滤波器和电压计对它们依次进行捕获。

　　NI PXI-5660和大多数频谱分析仪最大的区别之一就是PXI-5660可以是一个矢量信号分析仪。这意味着我们可以同时采集大量的20 MHz带宽的频谱信号。矢量信号分析仪的优势在于：

　　(1)在相同时间内采集更多的数据，使得基础测量要快很多。

　　(2)在很宽的带宽下数字化的信号包含频率信息。

　　(3)对数字化的信号(幅度和相位)进行FFT计算。

　　PXI平台的优势

　　PXI是PCI eXtensions for Instrumentation的缩写。PXI的主要优势在于它利用了已经验证的符合工业标准的技术。PXI建立在高速的CompactPCI总线基础之上，并加入了类似VXI所具有的定时、触发和同步功能。为了便于集成，PXI采用了开放的软件标准，其中包括通用的操作系统，即插即用的驱动和网络技术。

　　GPIB、VXI、PCI和PXI总线的比较

　　表2对当今主要的测试平台－GPIB, VXI, PCI和PXI 的一些重要参数进行了比较。PXI利用了PC平台的尺寸、价格和总线速率的优势，并配之以GPIB和VXI作为仪器规范的特性，使得用户能够同时拥有这两方面的强大优势。

　　PXI和VXI的市场占有率

　　回首过去几年PXI和VXI的市场占有率，VXI几乎一直维持相同的市场占有率，而PXI则增长迅猛，并于2002年超过VXI的市场占有率。行业专家预测这样的增长将继续维持下去。

　　众多知名企业放弃VXI而采用PXI

　　1987年7月，五家企业于创建了VXI联盟并举办了第一次例会，这五家企业是：Colorado Data Systems、Hewlett-Packard、Racal-Dana Instruments(现在是 Racal Instruments, Inc.)、Tektronix和Wavetek。如今，Colorado Data Systems、Tektronix和Wavetek都已经退出了VXI联盟；Hewlett-Packard(现在是Agilent) 也已经将它们的VXI产品线卖给了VXI Technology公司，并已经发布了它们第一款基于PXI的模块化仪器；Racal Instruments于2002年成为PXISA(PXI系统联盟)的发起成员并大量销售PXI产品；Tektronix也将虚拟仪器技术用于它们的Open Windows示波器；PXI系统联盟持续扩大其成员队伍，目前已有超过70家成员公司。

　　综上所述，和VXI相比，PXI具有更快的总线传输速率(132MB/s vs 40MB/s)、更小的体积以及更好的性能价格比。此外，因为借助于PC技术，PXI将会根据业界最先进的技术(如PCI Express)来不断更新其产品，相反，VXI则已经停止了其主要技术的更新。最后，得益于NI软件的灵活性和不断更新的模块化硬件，用户可以最少的投资随时升级整个测试系统。如此优良的扩展性，灵活的软件架构使得基于PXI的系统集成变得更加容易。因此，PXI总线正在逐步取代VXI总线成为测试测量行业的最新总线标准。


  表2 GPIB、VXI、PCI和PXI总线的比较

　　结语

　　NI射频信号分析仪—PXI-5660并非传统的频谱分析仪，而是一个高性能的软件无线电平台(同时可以实现无线电接收机、频谱分析仪和矢量信号分析仪的功能)。和传统的无线电监测接收机相比，NI基于PXI的射频系统具有更好的可扩展性和灵活性。利用强大的图形化编程语言LabVIEW，无线射频接收监测系统已经从传统上硬件定义系统功能的仪器跨入了一个新的时代：软件无线电，它在高性能硬件保证信号低失真数字化的前提下，充分发挥软件平台和计算机处理器的强大优势，实现诸如解调、参数计算、阈值监测等各种功能。