使用NI USRP平台实现射频信号录制和回放操作演示

本文档描述了如何在NI USRP™(通用软件无线电外设)平台上实现射频信号录制和回放操作。NI提供了各种用于录制和回放应用的射频硬件和软件，以满足用户的成本和质量要求。本指南专门阐述了如何使用NI USRP这一款价位适中且体积小巧的解决方案。对于同一应用，用户还可使用保真度更高的NI PXI解决方案来获得更高的带宽，显著提高信号的质量。以下范例包含专门针对每一部分设计的代码，以帮助用户集成录制和回放系统。

一、射频录制和回放系统

本指南重点介绍了一些特定软件和硬件的开发，以帮助用户最大化p(t)和s(t)之间的关联性。尽管其中一些参数对于许多RF系统都适用，此范例主要参考了以下两个系统：

图1. NI USRP-2920无线电收发器可直接转换为发射机或接收器，工作频段为50 MHz - 2.2 GHz，通过一个1兆位以太网端口连接至上位机。理论上系统的最大采样率为25 MS/s，可用带宽为20 MHz。

图2. NI USRP-2921 无线电收发器可直接转换为发射机和接收器，工作频段为2.4 - 2.5 GHz和4.9–5.9 GHz，通过一个1兆位以太网端口连接至上位机。理论上系统的最大采样率为25 MS/s，可用带宽为20 MHz。

二、背景参考

理想的射频录制和回放系统模型为

p(t) = r(t) = s(t)

其中，

        s(t)表示需录制的信号
        r(t)表示已录制的信号
        p(t)表示回放的信号

由于系统不可能是理想的，因此以上方程式应为

p(t) = r(t) + ns(t) = s(t) + n(t) + i(t)

其中，

        ns(t)表示系统噪声（采集和生成设备）
        n(t)表示环境噪声
         i(t)表示环境干扰

稍后可返回此处查看这些关系。

三、录制

1、最大化动态范围

用户可通过增益或衰减来最大化NI USRP-292x系列的动态范围，以确保输入信号充分利用模数转换器(ADC)的所有14位数字。ADC的输入范围是1 Vpp。USRP接收链中ADC的输入功率为非线性输入，且随着频率的变化而变化。NI-USRP驱动程序提供了0 dB - 30 dB的放大增益设置选项。

录制信号时尽可能提高增益，以在没有削波的情况下充分利用ADC的全动态范围。由于驱动程序中I和Q都调整为1，因此理想的调整应使幅值接近1。可通过公式计算复杂的幅值。对于调制信号和突发信号来说，这并不是轻松就可实现的，因为功率会随着时间的变化而变化。任何对输入信号的事先了解都有助于调节增益来实现ADC的最优动态范围。但是，目标信号可能会夹杂其他多余的噪声信号或邻近信号而影响录制。噪声信号用n(t)表示，干扰信号表示为i(t)。

首先，考虑目标信号s(t)和目标硬件的带宽。如果硬件带宽等于s(t)的带宽，则其信号噪音失真比(SINAD)将比带宽远大于其值的硬件的SINAD更高。详细说明请参见图3，图3显示了NI USRP-2920的输入路径：

图3. 录制时信号通过的路径（RX 2射频输入）

输入信号s(t) + n(t) + i(t)的功率限制在20 MHz抗混叠低通滤波器提供的内部固定输入带宽40 MHz，不受用户所请求的带宽的影响。

ADC将基带信号数字化后，内部现场可编程门阵列(FPGA)上的板载信号处理器(OSP)滤除指定的中心频率成分，并将驱动程序请求的I/Q采样率降低至200 kS/s - 25 MS/s之间。输出信号通过1兆位以太网电缆传输，并由上位机录制。

例如，带宽为20 MHz时，假设s(t)表示频率为91.5 MHz的FM无线电台信号，该信号的带宽是200 kHz。且假设存在其他各种不同功率、带宽在40 MHz之内的无线电台，如图4所示：

图4. FM无线电频段的频谱范例

NI USRP-2920射频输入端的输入功率并不仅是s(t)的功率，而是整个40 MHz频段的功率，超出图中所示的20 MHz频段。由于这些高频信号必须考虑在内，因而录制的动态范围也将受到影响。

图5. 使用数模转换器的动态范围，不进行任何前端滤波

指定某个I/Q速率时，前端滤波和数模转化的固定速率（约为100 MS/s）并不会改变。板载信号处理器接收全速率采样的信号后，进行数字滤波，并在通过1兆位以太网总线传输数据之前根据请求的I/Q速率进行下采样。当I/Q速率为200 kS/s且带宽约为200 kHz时，带宽和采样率具有相关性。I/Q速率降低时，数据通过以太网总线传输回上位机所需的数据速率也随之降低。

为了提高此情况下的性能，可使用外部带通滤波器来隔离期望信号，如图6所示：

图6. 使用数字化仪的动态范围对全动态范围信号进行自定义前端滤波

由于对频谱中的多余信号进行预测是非常困难的，因