基于PXI的RF儀器設(shè)計(jì) PXI射頻測試儀器實(shí)例解析

談及PXI和虛擬儀器，可能有不少工程師會有一個(gè)概略的印象，那就是，虛擬儀器秉持模塊化設(shè)計(jì)思想，依賴PXI總線平臺，在加上共用PC資源，已經(jīng)在測試測量、控制、監(jiān)控等領(lǐng)域取得了不俗的業(yè)績。可對于射頻PXI測試儀器的具體進(jìn)展，尚有不少工程師還了解不深！在剛剛結(jié)束的中國第四屆PXI技術(shù)和應(yīng)用論壇上，PXI虛擬儀器在射頻測試領(lǐng)域取得的進(jìn)展確讓不少與會者刮目相看。

對于射頻測試儀器來說，人們可能首先會想起那些各式各樣、大小不等的射頻模塊，還有那些繞來繞去的剛性電纜，甚至還有難裝難卸的波導(dǎo)元件。而虛擬儀器，其特點(diǎn)是利用主控和總線設(shè)計(jì)并與PC融合而成的測試儀器，具有活生生的數(shù)字特征，似乎與上述的射頻特征不太搭界。那么，在PXI總線架構(gòu)上的虛擬儀器是怎么實(shí)現(xiàn)射頻功能的呢？

PXI虛擬儀器的設(shè)計(jì)思想

NI公司的PXI虛擬儀器在射頻領(lǐng)域的成功突破受益于多種新技術(shù)，主要包括SDR，高速背板總線，DDS，精密補(bǔ)償技術(shù)等。

射頻信號發(fā)生器是射頻測試系統(tǒng)的源端設(shè)備。根據(jù)圖1的方框圖，不難發(fā)現(xiàn)，該系列的信號發(fā)生器可以選用內(nèi)部或外部時(shí)鐘。當(dāng)采用內(nèi)部基準(zhǔn)時(shí)，利用了DDS技術(shù)，可直接產(chǎn)生高達(dá)50MHz的射頻信號。對于高于50MHz的信號，采用系統(tǒng)中的頻綜模塊，頻綜的相位跟蹤DDS輸出，可以實(shí)現(xiàn)高達(dá)6GHz的射頻輸出，且頻率步進(jìn)可以達(dá)到1Hz甚至更低。

另外，根據(jù)分析，系統(tǒng)中采用了精密的溫度控制和補(bǔ)償（未經(jīng)證實(shí)）措施。通過監(jiān)控溫度，并根據(jù)變化利用預(yù)先存放在存儲表中的修正量對輸出進(jìn)行補(bǔ)償，從而實(shí)現(xiàn)極高的精度。

另外，NI公司也定義了自己的SDR架構(gòu)。該公司的分析儀或接收機(jī)系列，即NI-PXI-566x系列，所定義的的頻率范圍為9KHz～2.7GHz，實(shí)時(shí)帶寬為20MHz，內(nèi)存為32～6？MB。而信號源或發(fā)射機(jī)系列的定義為：250KHz～2.7GHz，實(shí)時(shí)帶寬為22MHz，內(nèi)存為32～256MB。通過SDR技術(shù)，使得儀器變得更加靈活。

高速背板技術(shù)無疑是PXI虛擬儀器的核心技術(shù)，也是PXI射頻儀器的主要瓶頸之一。這種背板與傳統(tǒng)的PC背板有很大區(qū)別，因?yàn)樗幚淼氖前l率極高的混合信號。系統(tǒng)中含有高達(dá)10GHz的模擬信號，包括速度極高的ADC和DAC，這些都給背板的電磁兼容設(shè)計(jì)以及電源和參考面的設(shè)計(jì)帶來很大困難，另外還有小型化的要求。目前背板上的觸發(fā)總線已經(jīng)多達(dá)近10條，并且為了保證可靠性并減小延遲，系統(tǒng)采用星形觸發(fā)方式。即由星形觸發(fā)控制產(chǎn)生多個(gè)觸發(fā)信號并送到所有的插槽，這樣可以保證各插槽在同一時(shí)間接收到觸發(fā)信號，將觸發(fā)時(shí)間誤差降到了1ns以下。

基于PXI的虛擬射頻儀器的特點(diǎn)

對于傳統(tǒng)的箱式儀器所覆蓋的X波段以上的頻段來說，也許并非PXI虛擬儀器的強(qiáng)項(xiàng)，但經(jīng)過分析，發(fā)現(xiàn)這類儀器有其自己的獨(dú)特特點(diǎn)，可以作為傳統(tǒng)的箱式射頻測試儀器的較好補(bǔ)充。PXI虛擬射頻儀器的主要特點(diǎn)包括：

1. 具有靈活的同步和觸發(fā)功能

2. 高速寬帶總線功能

3. 集成度較高的綜合測試功能

4. 具有靈活的用戶開發(fā)空間

圖1：NI公司PXI-565x系列射頻信號發(fā)生器原理方框圖。

細(xì)細(xì)分析起來，上述主要特點(diǎn)實(shí)際上就是由PXI總線和模塊化的本質(zhì)所決定的?；谶@些特點(diǎn)，NI基于PXI的射頻測試儀器比較適用于以下應(yīng)用場合：

* 比較復(fù)雜或前沿的應(yīng)用開發(fā)

在這種應(yīng)用中，由于處于比較前沿的預(yù)研階段，或者說是開發(fā)階段，具有許多自定義的協(xié)議，對這類協(xié)議的測試和分析，需要很多靈活的同步模式和觸發(fā)模式，這些往往在傳統(tǒng)儀器里沒有充分的提供。于是，用戶可以根據(jù)需要，靈活地構(gòu)建自己的測試驗(yàn)證系統(tǒng)。這類的應(yīng)用實(shí)例非常多，包括TD-SCDMA系統(tǒng)開發(fā)測試。

* 用戶具有獨(dú)特的需求

在這種場合中，用戶常常具有許多特定的用途。例如，需要提取射頻的原始數(shù)據(jù)，包括幅度信息和相位信息，乃至比特內(nèi)的調(diào)制信息等。這些信息可以被用來對系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試，分析或流盤，當(dāng)然也有某些信息可以用作校正的環(huán)路控制。另外，在多系統(tǒng)的復(fù)雜系統(tǒng)中，常常需要靈活的觸發(fā)和同步，這也可以發(fā)揮這類儀器的特點(diǎn)。

* 要求有技術(shù)融合的應(yīng)用

由于可以提供靈活的多種編程接口（包括Matlab，NET，VB，VC，DLL，EXE，ActiveX等），并提供開放式的軟硬件二次開發(fā)界面，使得這種儀器比較適用于需要各種技術(shù)融合的應(yīng)用。

* 作為動態(tài)控制領(lǐng)域的一部分

在動態(tài)控制領(lǐng)域，測試儀器不再是僅僅作為測試和檢定目的，而是將測試出來的結(jié)果直接或間接作為控制變量，來修正或校正系統(tǒng)中的受控參量。在這種應(yīng)用中，加上PC的強(qiáng)大功能，使得這類測試儀器能夠發(fā)揮其體積小并且靈活的功能。

PXI射頻測試儀器實(shí)例

那么，究竟實(shí)現(xiàn)了什么樣的射頻功能，或者說NI以及其PXI聯(lián)盟成員都推出了什么樣的射頻測試儀器呢？NI推出的射頻測試儀器大致上可以概括為以下三類：

１． PXI RF信號產(chǎn)生和分析

在測試系統(tǒng)中，信號產(chǎn)生是分析的源，占據(jù)著重要的作用。利用上述的設(shè)計(jì)思想，NI實(shí)現(xiàn)了系列的RF和MW信號產(chǎn)生器，包括頻率分別達(dá)到1.3GHz、3.3GHz和6.6GHz的PXI 5650、PXI 5651和PXI 5652，具有RF領(lǐng)域常用的各種模擬調(diào)制和數(shù)字調(diào)制，并實(shí)現(xiàn)了高相位噪聲和很低的信號抖動。該系列的信號產(chǎn)生器在1GHz處，偏移量為10kHz時(shí)的相位噪聲達(dá)到了-110dBc/Hz。儀器采用一塊3U的單槽結(jié)構(gòu)，比較靈巧。

２． 通用無線通信終端測試系統(tǒng)

隨著終端功能的不斷增加和協(xié)議的復(fù)雜化導(dǎo)致測試成本不斷攀升，其中包括時(shí)間成本，從而為測試帶來巨大挑戰(zhàn)。圍繞這些挑戰(zhàn)，NI研發(fā)出了靈活的終端測試系統(tǒng)。該系統(tǒng)由PXI-5660再加上Labview組成。測試領(lǐng)域覆蓋了目前所有的體制，包括中國自己的TD-SCDMA。該系統(tǒng)的特點(diǎn)在于能夠靈活地?cái)U(kuò)展測試系統(tǒng)的并行通道數(shù)量，從而降低測試的成本。

３． 無線網(wǎng)絡(luò)分析測試系統(tǒng)

這類儀器的典型代表是PXI-5661。除了能夠完成常規(guī)的無線通信領(lǐng)域的測試分析，另外還提供需多矢量分析，例如3D光譜分析，I/Q正交調(diào)制分析等。該系統(tǒng)由高精度的數(shù)字化儀和高性能的變頻器組成，其頻率目前達(dá)到了2.7GHz，借助于精密衰減器，輸入動態(tài)范圍可以達(dá)到160dB，其噪聲密度達(dá)到了-140 dBm/Hz。另外，該系統(tǒng)的一個(gè)重要的特點(diǎn)是靈活度，比如可以加入一個(gè)前置放大器模塊PXI-5690，就可以實(shí)現(xiàn)高達(dá)-165 dBm/Hz的噪聲密度指標(biāo)。

除上述幾大類之外，基于PXI的RF儀器還繼續(xù)向更廣的一些專業(yè)領(lǐng)域進(jìn)軍。PXI聯(lián)盟成員之一的聚星儀器公司近期成功開發(fā)出了RFID射頻參數(shù)測試系統(tǒng)。據(jù)了解，該系統(tǒng)是業(yè)界第一套RFID專業(yè)測試系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有完備的RFID協(xié)議支持能力，支持RFID標(biāo)準(zhǔn)中的各種調(diào)制方式和編碼方式，還可以擴(kuò)展支持廠家自己的指令集，從而可以覆蓋到從物理層到協(xié)議層的所有測試。