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