基于PXI的RF仪器设计 PXI射频测试仪器实例解析

基于PXI的RF仪器设计PXI射频测试仪器实例解析谈及PXI和虚拟仪器，可能有不少工程师会有一个概略的印象，那就是，虚拟仪器秉持模块化设计思想，依赖PXI总线平台，在加上共用PC资源，已经在测试测量、控制、监控等领域取得了不俗的业绩。可对于射频PXI测试仪器的具体进展，尚有不少工程师还了解不深！在刚刚结束的中国第四届PXI技术和应用论坛上，PXI虚拟仪器在射频测试领域取得的进展确让不少与会者刮目相看。对于射频测试仪器来说，人们可能首先会想起那些各式各样、大小不等的射频模块，还有那些绕来绕去的刚性电缆，甚至还有难装难卸的波导元件。而虚拟仪器，其特点是利用主控和总线设计并与PC融合而成的测试仪器，具有活生生的数字特征，似乎与上述的射频特征不太搭界。那么，在PXI总线架构上的虚拟仪器是怎么实现射频功能的呢？PXI虚拟仪器的设计思想NI公司的PXI虚拟仪器在射频领域的成功突破受益于多种新技术，主要包括SDR，高速背板总线，DDS，精密补偿技术等。射频信号发生器是射频测试系统的源端设备。根据图1的方框图，不难发现，该系列的信号发生器可以选用内部或外部时钟。当采用内部基准时，利用了DDS技术，可直接产生高达50MHz的射频信号。对于高于50MHz的信号，采用系统中的频综模块，频综的相位跟踪DDS输出，可以实现高达6GHz的射频输出，且频率步进可以达到1Hz甚至更低。另外，根据分析，系统中采用了精密的温度控制和补偿（未经证实）措施。通过监控温度，并根据变化利用预先存放在存储表中的修正量对输出进行补偿，从而实现极高的精度。另外，NI公司也定义了自己的SDR架构。该公司的分析仪或接收机系列，即NI-PXI-566x系列，所定义的的频率范围为9KHz～2.7GHz，实时带宽为20MHz，内存为32～6？MB。而信号源或发射机系列的定义为：250KHz～2.7GHz，实时带宽为22MHz，内存为32～256MB。通过SDR技术，使得仪器变得更加灵活。高速背板技术无疑是PXI虚拟仪器的核心技术，也是PXI射频仪器的主要瓶颈之一。这种背板与传统的PC背板有很大区别，因为它处理的是包括频率极高的混合信号。系统中含有高达10GHz的模拟信号，包括速度极高的ADC和DAC，这些都给背板的电磁兼容设计以及电源和参考面的设计带来很大困难，另外还有小型化的要求。目前背板上的触发总线已经多达近10条，并且为了保证可靠性并减小延迟，系统采用星形触发方式。即由星形触发控制产生多个触发信号并送到所有的插槽，这样可以保证各插槽在同一时间接收到触发信号，将触发时间误差降到了1ns以下。基于PXI的虚拟射频仪器的特点对于传统的箱式仪器所覆盖的X波段以上的频段来说，也许并非PXI虚拟仪器的强项，但经过分析，发现这类仪器有其自己的独特特点，可以作为传统的箱式射频测试仪器的较好补充。PXI虚拟射频仪器的主要特点包括：1.具有灵活的同步和触发功能2.高速宽带总线功能3.集成度较高的综合测试功能4.具有灵活的用户开发空间图1：NI公司PXI-565x系列射频信号发生器原理方框图。细细分析起来，上述主要特点实际上就是由PXI总线和模块化的本质所决定的。基于这些特点，NI基于PXI的射频测试仪器比较适用于以下应用场合：*比较复杂或前沿的应用开发在这种应用中，由于处于比较前沿的预研阶段，或者说是开发阶段，具有许多自定义的协议，对这类协议的测试和分析，需要很多灵活的同步模式和触发模式，这些往往在传统仪器里没有充分的提供。于是，用户可以根据需要，灵活地构建自己的测试验证系统。这类的应用实例非常多，包括TD-SCDMA系统开发测试。*用户具有独特的需求在这种场合中，用户常常具有许多特定的用途。例如，需要提取射频的原始数据，包括幅度信息和相位信息，乃至比特内的调制信息等。这些信息可以被用来对系统进行调试，分析或流盘，当然也有某些信息可以用作校正的环路控制。另外，在多系统的复杂系统中，常常需要灵活的触发和同步，这也可以发挥这类仪器的特点。*要求有技术融合的应用由于可以提供灵活的多种编程接口（包括Matlab，NET，VB，VC，DLL，EXE，ActiveX等），并提供开放式的软硬件二次开发界面，使得这种仪器比较适用于需要各种技术融合的应用。*作为动态控制领域的一部分在动态控制领域，测试仪器不再是仅仅作为测试和检定目的，而是将测试出来的结果直接或间接作为控制变量，来修正或校正系统中的受控参量。在这种应用中，加上PC的强大功能，使得这类测试仪器能够发挥其体积小并且灵活的功能。PXI射频测试仪器实例那么，究竟实现了什么样的射频功能，或者说NI以及其PXI联盟成员都推出了什么样的射频测试仪器呢？NI推出的射频测试仪器大致上可以概括为以下三类：１．PXIRF信号产生和分析在测试系统中，信号产生是分析的源，占据着重要的作用。利用上述的设计思想，NI实现了系列的RF和MW信号产生器，包括频率分别达到1.3GHz、3.3GHz和6.6GHz的PXI5650、PXI5651和PXI5652，具有RF领域常用的各种模拟调制和数字调制，并实现了高相位噪声和很低的信号抖动。该系列的信号产生器在1GHz处，偏移量为10kHz时的相位噪声达到了-110dBc/Hz。仪器采用一块3U的单槽结构，比较灵巧。２．通用无线通信终端测试系统随着终端功能的不断增加和协议的复杂化导致测试成本不断攀升，其中包括时间成本，从而为测试带来巨大挑战。围绕这些挑战，NI研发出了灵活的终端测试系统。该系统由PXI-5660再加上Labview组成。测试领域覆盖了目前所有的体制，包括中国自己的TD-SCDMA。该系统的特点在于能够灵活地扩展测试系统的并行通道数量，从而降低测试的成本。３．无线网络分析测试系统这类仪器的典型代表是PXI-5661。除了能够完成常规的无线通信领域的测试分析，另外还提供需多矢量分析，例如3D光谱分析，I/Q正交调制分析等。该系统由高精度的数字化仪和高性能的变频器组成，其频率目前达到了2.7GHz，借助于精密衰减器，输入动态范围可以达到160dB，其噪声密度达到了-140dBm/Hz。另外，该系统的一个重要的特点是灵活度，比如可以加入一个前置放大器模块PXI-5690，就可以实现高达-165dBm/Hz的噪声密度指标。除上述几大类之外，基于PXI的RF仪器还继续向更广的一些专业领域进军