淺析PXI總線的射頻儀器的特點(diǎn)與應(yīng)用范圍
談及PXI和虛擬儀器,可能有不少工程師會(huì)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(tái),在加上共用PC資源,已經(jīng)在測(cè)試測(cè)量、控制、監(jiān)控等領(lǐng)域取得了不俗的業(yè)績(jī)。可對(duì)于射頻PXI測(cè)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(guó)第四屆PXI技術(shù)和應(yīng)用論壇上,PXI虛擬儀器在射頻測(cè)試領(lǐng)域取得的進(jìn)展確讓不少與會(huì)者刮目相看。
對(duì)于射頻測(cè)試儀器來(lái)說(shuō),人們可能首先會(huì)想起那些各式各樣、大小不等的射頻模塊,還有那些繞來(lái)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(cè)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(hào)發(fā)生器是射頻測(cè)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(hào)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(hào)。對(duì)于高于50MHz的信號(hào),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(guò)監(jiān)控溫度,并根據(jù)變化利用預(yù)先存放在存儲(chǔ)表中的修正量對(duì)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(hào)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(guò)SDR技術(shù),使得儀器變得更加靈活。
高速背板技術(shù)無(wú)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(hào)。系統(tǒng)中含有高達(dá)10GHz的模擬信號(hào),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(lái)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(hào)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(hào),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(duì)于傳統(tǒng)的箱式儀器所覆蓋的X波段以上的頻段來(lái)說(shuō),也許并非PXI虛擬儀器的強(qiáng)項(xiàng),但經(jīng)過(guò)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(cè)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(cè)試功能
4. 具有靈活的用戶開(kāi)發(fā)空間
圖1:NI公司PXI-565x系列射頻信號(hào)發(fā)生器原理方框圖。
細(xì)細(xì)分析起來(lái),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(cè)試儀器比較適用于以下應(yīng)用場(chǎng)合:
* 比較復(fù)雜或前沿的應(yīng)用開(kāi)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(shuō)是開(kāi)發(fā)階段,具有許多自定義的協(xié)議,對(duì)這類協(xié)議的測(cè)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(méi)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(cè)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(kāi)發(fā)測(cè)試。
* 用戶具有獨(dú)特的需求
在這種場(chǎng)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(lái)對(duì)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(kāi)放式的軟硬件二次開(kāi)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(dòng)態(tài)控制領(lǐng)域的一部分
在動(dòng)態(tài)控制領(lǐng)域,測(cè)試儀器不再是僅僅作為測(cè)試和檢定目的,而是將測(cè)試出來(lái)的結(jié)果直接或間接作為控制變量,來(lái)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(cè)試儀器能夠發(fā)揮其體積小并且靈活的功能。
PXI射頻測(cè)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(shuō)NI以及其PXI聯(lián)盟成員都推出了什么樣的射頻測(cè)試儀器呢?NI推出的射頻測(cè)試儀器大致上可以概括為以下三類:
1. PXI RF信號(hào)產(chǎn)生和分析
在測(cè)試系統(tǒng)中,信號(hào)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(hào)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(hào)抖動(dòng)。該系列的信號(hào)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(wú)線通信終端測(cè)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(cè)試成本不斷攀升,其中包括時(shí)間成本,從而為測(cè)試帶來(lái)巨大挑戰(zhàn)。圍繞這些挑戰(zhàn),NI研發(fā)出了靈活的終端測(cè)試系統(tǒng)。該系統(tǒng)由PXI-5660再加上Labview組成。測(cè)試領(lǐng)域覆蓋了目前所有的體制,包括中國(guó)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(cè)試系統(tǒng)的并行通道數(shù)量,從而降低測(cè)試的成本。
3. 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)分析測(cè)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(wú)線通信領(lǐng)域的測(cè)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(dòng)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)。[!--empirenews.page--]
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(kāi)發(fā)出了RFID射頻參數(shù)測(cè)試系統(tǒng)。據(jù)了解,該系統(tǒng)是業(yè)界第一套R(shí)FID專業(yè)測(cè)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(cè)試。