頻譜監(jiān)測與信號智能系統(tǒng)的系統(tǒng)組件詳解 - 全文

頻譜監(jiān)測和信號智能涉及使用工具和技術來分析無線電頻譜。頻譜監(jiān)測為用戶、監(jiān)管機構及情報小組提供了關于頻譜正在如何被使用的有用信息。從監(jiān)管的角度來看，頻譜監(jiān)測可確保頻譜使用者遵守當地法規(guī)和許可參數，以盡量減少頻譜使用者之間的相互干擾。通信供應商或頻譜發(fā)出者可以執(zhí)行監(jiān)視任務來確保系統(tǒng)的正確運行或者解決干擾問題。另外，頻譜監(jiān)測也為希望了解射頻環(huán)境特性的情報機構提供有價值的信息，幫助這些機構收集信息來支持各項任務的執(zhí)行。

1. 簡介

許多頻譜監(jiān)測和信號智能應用可能需要連續(xù)實時地進行通信數據處理。一個常用的技術是將采集的射頻頻譜與預期的頻率掩模進行對比來監(jiān)測未預期傳輸的射頻頻譜。傳統(tǒng)的掃頻方式以測量系統(tǒng)采集和處理數據的頻率進行該對比，但是數據處理的限制卻導致需要監(jiān)測的RF頻段不能被連續(xù)監(jiān)測。這可能會造成GSM或WiMAX等基于分組的通信方案能夠避開檢測，因為分析儀在掃描這些通信方案頻率的時候可能沒有信號傳輸。

基帶數字化儀的基帶I / Q數據可通過PCI Express總線傳輸回數字化儀的主控制器進行數據處理?，F代多核處理器，如NI PXIe- 8106嵌入式控制器的多核處理器，可以對數據進行縮放、加窗和傅立葉變換，并以大于2.5 MS / s的速率將該數據與頻率掩模進行對比，從而有效地監(jiān)控多達10 MHz的RF帶寬。對于需要更大帶寬或者需要控制器CPU來實現其他功能的應用，現場可編程門陣列(FPGA)可以執(zhí)行相同的處理，甚至速率更快。例如，NI PXIe- 5641R IF收發(fā)儀能夠以每秒超過50,000次FFT的平均速率執(zhí)行八次復雜的同步1024點快速傅里葉變換(FFT) 。這一速率足以持續(xù)監(jiān)測20MHz的實時帶寬。您可以通過DMA將數據從設備傳輸到主機再返回至另一個設備 ，這并不會明顯增加總線或CPU的負擔 。因此，這一架構用于進行基帶數據處理是可行的。這些技術結合GPS同步和觸發(fā)、與其他儀器的集成和小巧的組成結構等其他PXI特性，使得PXI成為頻譜監(jiān)測和信號智能的理想解決方案。

2. 支持FPGA的頻譜監(jiān)測和信號智能系統(tǒng)

NI PXIe- 5641R RIOIF收發(fā)儀可與NI PXI -5600下變頻器和NI 8260高速數據存儲模塊相結合，用于持續(xù)監(jiān)測和記錄RF頻譜。借助這些儀器的組合，您可在PXI平臺上搭建支持FPGA的頻譜監(jiān)控或信號智能系統(tǒng)，覆蓋從250 kHz至2.7 GHz的頻率，實時帶寬可達20 MHz。NI PXIe- 5641R具有兩個獨立的14位100 MS / s模數轉換器(ADC) ，內置20 MHz帶寬數字下變頻器。該架構可有效地將I / Q數據提供給模塊的Virtex -5 SX95T FPGA，繼而借助NI LabVIEW FPGA模塊實現分析、解調和信號處理任務。對于連續(xù)記錄，可將每個FPGA模塊的20MHz射頻帶寬數據（100 MB /秒）連續(xù)數小時傳輸至基于RAID的硬盤（如NI 8260）?；贚abVIEW和LabVIEW FPGA的可配置性，您可以對NI PXIe- 5641R進行編程，從而在硬件上進行實時信號分析和事件檢測。本節(jié)探討了這一支持FPGA的頻譜監(jiān)測與信號智能系統(tǒng)的系統(tǒng)組件。圖1顯示了NI PXIe- 1075機箱內的各個硬件組件。

圖1. 基于PXI的頻譜監(jiān)測和信號智能系統(tǒng)

如需查看頻譜監(jiān)測應用，請訪問頻譜監(jiān)測視頻演示頁面。

收發(fā)儀

NI PXIe-5641R包含一個帶寬為20MHz且與Xilinx Virtex-5 SX95T FPGA相連接的中頻(IF)收發(fā)儀。Xilinx Virtex-5 SX95T FPGA針對DSP進行了優(yōu)化，可使用LabVIEW FPGA模塊對其進行編程，它能夠在硬件中以高速率低延遲執(zhí)行復雜的解調和信號處理任務，適用于需要迅速反應和高輸入信號帶寬的應用。NI PXIe-5641R具有兩路中頻輸入和輸出，與模擬上變頻器和下變頻器相連接。

圖2. NI PXIe-5641R RIO IF收發(fā)儀

下變頻器

NI PXI-5600能夠以高達20 MHz的帶寬接收9 kHz-2.7 GHz射頻信號，然后將其下變頻至15 MHz的中頻信號，從而能夠與NI PXIe-5641R完美地相集成。其超外差架構確保了帶外信號并不會犧牲輸入動態(tài)范圍。您可選擇多達兩個下變頻器，通過NI PXIe-5641的兩個IF輸入分別調諧至不同的RF頻率。PXI-5600是一款緊湊的雙槽3U PXI模塊。

圖3. NI PXI-5600下變頻器

高速數據存儲

NI 8260是一款四驅動RAID。這款內置于機箱的高速數據存儲模塊總容量達1 TB，能夠連續(xù)超過2.5小時記錄20 MHz的射頻帶寬。NI 8260為您提供了一款可靠堅固且小巧緊湊的解決方案來應對頻譜監(jiān)測和信號記錄應用。LabVIEW VI則可用于回放所記錄的頻譜，以便進行采集后分析。

圖4. NI 8260四驅動RAID

PXI控制器
NI PXIe-8106是一款高性能PXI Express控制器，可幫助您在高速雙核處理器上進行浮點處理，從而與FPGA的定點信號處理功能相互補充。PXI控制器是PXI系統(tǒng)的CPU。由于PXI的模塊化特性，RF電路可以從儀器的處理功能中獨立出來。CPU的發(fā)展速度遠遠超過射頻電路技術，因此如果出現新的處理器或更先進的傳感器，您只需要更換已經更新?lián)Q代的系統(tǒng)元件，而不需要購買全新的儀器。

圖5. NI PXIe-8106控制器

NI PXI和PXI Express組成結構分別搭載了雙核和四核控制器。

軟件

NI PXIe-5641R可使用LabVIEW FPGA 模塊進行編程。LabVIEW FPGA非常適合用于FPGA編程，這是由于LabVIEW FPGA可為FPGA提供并行機制和數據流。借助LabVIEW FPGA模塊，您可以創(chuàng)建自定義測量以及嵌入數字信號處理算法、解調方案和控制硬件，而無需掌握低級硬件描述語言或板卡級設計。

LabVIEW軟件提供了一個獨特且易于使用的圖形化編程環(huán)境，是進行多核處理器編程的理想之選。借助該軟件，您可以開發(fā)可利用多核處理器的并行算法。此外，由于PXI Express模塊化儀器可利用PCI Express總線帶來的高數據傳輸速率，因而更增強了這一優(yōu)勢。受益于多核處理器和PXI Express儀器的應用包括頻譜監(jiān)測和信號智能等多通道信號分析應用。

圖6. 系統(tǒng)軟件組件

使用LabVIEW FPGA創(chuàng)建的VI稱為FPGA VI，運行于NI PXIe-5641R的FPGA上。而在LabVIEW中創(chuàng)建的VI稱為Host VI，運行于主機上。FPGA VI和Host VI通過DMA在后臺進行通信并相互傳輸數據，由于數據直接寫入RAM，因而不會明顯增加CPU的負擔。您可以通過編程NI PXIe-5641R來解調或解碼基帶信號并將結果數據傳輸至主機。數據到達主機之后，您就可以使用LabVIEW分析和顯示這些數據。

功能強大的主機工具(VI)可用于擴展LabVIEW的內置功能，使得用戶能夠使用下一節(jié)介紹的LabVIEW工具包對數據進行分析、處理和可視化。

NI 調制工具包

添加標準或自定義數字和模擬調制格式的信號生成、分析、可視化和處理。借助該工具包，您可以快速開發(fā)自定義應用，進行信號調制和解調通信系統(tǒng)和組件的科研、設計、特性描述、驗證和測試。

NI 頻譜測量工具包

利用靈活的主機頻譜測量功能來測量帶內功率、鄰近通道功率以及占有帶寬等參數。

NI LabVIEW 高級信號處理工具包

LabVIEW FPGA數字濾波器設計工具包包含于NI LabVIEW高級信號處理工具包中，可用于訪問功能強大的時頻分析功能以及創(chuàng)建運行于主機或FPGA的數字濾波器。訪問 NI LabVIEW高級信號處理工具包頁面，了解更多信息。