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使用NI USRP平臺實現射頻信號錄制和回放操作演示

2013-03-29 來源:微波射頻網 字號:

本文檔描述了如何在NI USRP™(通用軟件無線電外設)平臺上實現射頻信號錄制和回放操作。NI提供了各種用于錄制和回放應用的射頻硬件和軟件,以滿足用戶的成本和質量要求。本指南專門闡述了如何使用NI USRP這一款價位適中且體積小巧的解決方案。對于同一應用,用戶還可使用保真度更高的NI PXI解決方案來獲得更高的帶寬,顯著提高信號的質量。以下范例包含專門針對每一部分設計的代碼,以幫助用戶集成錄制和回放系統。

一、射頻錄制和回放系統

本指南重點介紹了一些特定軟件和硬件的開發,以幫助用戶最大化p(t)和s(t)之間的關聯性。盡管其中一些參數對于許多RF系統都適用,此范例主要參考了以下兩個系統:

NI USRP-2920無線電收發器可直接轉換為發射機或接收器

圖1. NI USRP-2920無線電收發器可直接轉換為發射機或接收器,工作頻段為50 MHz - 2.2 GHz,通過一個1兆位以太網端口連接至上位機。理論上系統的最大采樣率為25 MS/s,可用帶寬為20 MHz。

NI USRP-2921 無線電收發器可直接轉換為發射機和接收器

圖2. NI USRP-2921 無線電收發器可直接轉換為發射機和接收器,工作頻段為2.4 - 2.5 GHz和4.9–5.9 GHz,通過一個1兆位以太網端口連接至上位機。理論上系統的最大采樣率為25 MS/s,可用帶寬為20 MHz。

二、背景參考

理想的射頻錄制和回放系統模型為

p(t) = r(t) = s(t)

其中,

        s(t)表示需錄制的信號
        r(t)表示已錄制的信號
        p(t)表示回放的信號

由于系統不可能是理想的,因此以上方程式應為

p(t) = r(t) + ns(t) = s(t) + n(t) + i(t)

其中,

        ns(t)表示系統噪聲(采集和生成設備)
        n(t)表示環境噪聲
         i(t)表示環境干擾

稍后可返回此處查看這些關系。

三、錄制

1、最大化動態范圍

用戶可通過增益或衰減來最大化NI USRP-292x系列的動態范圍,以確保輸入信號充分利用模數轉換器(ADC)的所有14位數字。ADC的輸入范圍是1 Vpp。USRP接收鏈中ADC的輸入功率為非線性輸入,且隨著頻率的變化而變化。NI-USRP驅動程序提供了0 dB - 30 dB的放大增益設置選項。

錄制信號時盡可能提高增益,以在沒有削波的情況下充分利用ADC的全動態范圍。由于驅動程序中I和Q都調整為1,因此理想的調整應使幅值接近1??赏ㄟ^公式計算復雜的幅值。對于調制信號和突發信號來說,這并不是輕松就可實現的,因為功率會隨著時間的變化而變化。任何對輸入信號的事先了解都有助于調節增益來實現ADC的最優動態范圍。但是,目標信號可能會夾雜其他多余的噪聲信號或鄰近信號而影響錄制。噪聲信號用n(t)表示,干擾信號表示為i(t)。

首先,考慮目標信號s(t)和目標硬件的帶寬。如果硬件帶寬等于s(t)的帶寬,則其信號噪音失真比(SINAD)將比帶寬遠大于其值的硬件的SINAD更高。詳細說明請參見圖3,圖3顯示了NI USRP-2920的輸入路徑:

錄制時信號通過的路徑

圖3. 錄制時信號通過的路徑(RX 2射頻輸入)

輸入信號s(t) + n(t) + i(t)的功率限制在20 MHz抗混疊低通濾波器提供的內部固定輸入帶寬40 MHz,不受用戶所請求的帶寬的影響。

ADC將基帶信號數字化后,內部現場可編程門陣列(FPGA)上的板載信號處理器(OSP)濾除指定的中心頻率成分,并將驅動程序請求的I/Q采樣率降低至200 kS/s - 25 MS/s之間。輸出信號通過1兆位以太網電纜傳輸,并由上位機錄制。

例如,帶寬為20 MHz時,假設s(t)表示頻率為91.5 MHz的FM無線電臺信號,該信號的帶寬是200 kHz。且假設存在其他各種不同功率、帶寬在40 MHz之內的無線電臺,如圖4所示:

FM無線電頻段的頻譜范例

圖4. FM無線電頻段的頻譜范例

NI USRP-2920射頻輸入端的輸入功率并不僅是s(t)的功率,而是整個40 MHz頻段的功率,超出圖中所示的20 MHz頻段。由于這些高頻信號必須考慮在內,因而錄制的動態范圍也將受到影響。

使用數模轉換器的動態范圍,不進行任何前端濾波

圖5. 使用數模轉換器的動態范圍,不進行任何前端濾波

指定某個I/Q速率時,前端濾波和數模轉化的固定速率(約為100 MS/s)并不會改變。板載信號處理器接收全速率采樣的信號后,進行數字濾波,并在通過1兆位以太網總線傳輸數據之前根據請求的I/Q速率進行下采樣。當I/Q速率為200 kS/s且帶寬約為200 kHz時,帶寬和采樣率具有相關性。I/Q速率降低時,數據通過以太網總線傳輸回上位機所需的數據速率也隨之降低。

為了提高此情況下的性能,可使用外部帶通濾波器來隔離期望信號,如圖6所示:

使用數字化儀的動態范圍對全動態范圍信號進行自定義前端濾波

圖6. 使用數字化儀的動態范圍對全動態范圍信號進行自定義前端濾波

由于對頻譜中的多余信號進行預測是非常困難的,因此用戶需要對信號以及相鄰40 MHz帶寬內的信號有透徹的了解。可采用射頻測量設備,如NI PXI射頻解決方案,來精確測量輸入功率,并更好地預測所需的增益。測試應用還有助于視覺化這些參數,幫助設置正確的錄制參數。用戶可按以下方法進行測試:將NI USRP-2920的增益設置為遠高于所采集信號的功率,然后降低參考電平,直至數模轉換器削波。然后再增大參考電平2 dB - 3 dB,以在錄制時允許小信號變量獲得動態余量。如果信號的峰均比過高,則繼續增大參考電平。

2、錄制信號的數據類型

錄制的波形是帶通信號的等效基帶信號,也稱為復包絡或I/Q數據。用戶還可以任何形式存儲數據,但如果要以高速率將數據寫入磁盤,則必須在錄制過程中最小化數據的處理量。因此,范例中的數據存儲為帶符號的16位整數。此格式為數據通過以太網傳輸和存儲在計算機內存的格式;用戶只需將數據從計算機的內存復制到磁盤中。

I/Q數據陣列按如下形式交插排列

I0, Q0, I1, Q1, I2, Q2….. In, Qn

其中n表示采樣的數量。

數據類型會影響磁盤的大小,一個16位的整數占用2個字節。對于復雜的I/Q信息,每個I/Q值占用4個字節。25 MS/s的數據速率可將信息以100 MB/s的速率傳輸至計算機,該速率超過大多數硬盤驅動器的連續寫入速率。若需維持高數據速率,建議使用廉價磁盤冗余陣列(RAID),如NI HDD-8265 RAID外盒,它可在6萬億字節、12萬億字節和24萬億字節的配置下維持高達600 MB/s的速率。

四、回放

錄制和回放系統的最大困難之一在于重現與錄制時相當的信號。這對于在實驗室中以與現場相同的條件測試待測設備(UUT)非常有幫助。

使用NI-USRP驅動程序回放射頻信號時,必需設置以下屬性:

·  I/Q速率[S/s]
·  載波頻率[Hz]
·  增益[dB]

用戶不僅需要錄制指定的值,還需要錄制強制值,這是因為I/Q速率是源于一個按離散增量分割的100 MS/s時鐘(并非所有I/Q速率都是如此)。如果設置信息未提供,也就無從知道采樣速度和功率參考值,因而就無法精確重現錄制的信號。

設置這些參數以及錄制強制值只需根據NI USRP Configure Signal VI的指示進行即可,如圖7所示:

獲取強制參數值

圖7. 獲取強制參數值(硬件使用的實際參數)

NI提供了范例代碼來指導用戶更輕松地錄制和回放架構。用戶應在指定操作條件下以指定頻率對NI USRP-2920進行特征記述,并定期或對輸出值存在疑問時重新驗證這些值。如若需要一個在各種頻率和溫度下都能保證性能的已校準解決方案,則可選擇NI PXI RF解決方案。

五、最佳實踐

1、頻率精度

調制方案和標準不同,頻率精度公差也不盡相同。在GPS等應用中,用戶需要執行錄制和回放。在此情況下,需要將一個外部10 MHz時鐘源(如恒溫器控制的晶體振蕩器(OCXO))連接至NI USRP設備前面的參考輸入(Ref In)端口,并在驅動程序中指定該時鐘源。

2、直流偏置/本振泄露

在某些情況下,本振(LO)信號會通過混頻器泄露到傳輸的信號。這可能會導致I和Q信號出現直流偏置,形成強載波信號。如果本振泄露比射頻波形更強,則可對中心頻率上下的基帶進行頻移,然后傳輸所要傳送的波形。例如,如果I/Q速率設置為5 MS/s (±2.5 MHz),則帶寬為1 MHz(-500 kHz ~ 500 kHz)的信號可頻移至1.5 MHz(1 MHz ~ 2 MHz帶寬)。通過頻移和使用外部無源濾波器,用戶可傳送發射信號,減小本振,實現對接收端待測設備的最小干擾。

3、錄制和回放附件

天線、直流偏置器(用于通電有源天線)、外部放大器、濾波器、衰減器均是進行信號錄制和回放的常見附件。放大器通常應用于接收器以增強弱信號;但是添加增益的同時也會增加本底噪聲。直流偏置器將直流信號發射至有源天線,同時接收沿同一路徑發射回來的射頻信號,阻斷直流信號,允許射頻信號通過。例如,GPS錄制可通過有源天線、帶電源的直流偏置器、通電的30 dB低噪聲放大器(LNA)來實現。而信號回放只需直接連接至GPS,并通過幾個衰減器來使輸出功率衰減至實時GPS信號的功率就可實現。

六、結論

本指南闡述了成功錄制和回放射頻信號所需的一些概念和參數。用戶可了解到在最大化信號采集的動態范圍時,低信號功率級別和帶外信號都會導致其難度增加。但可通過放大器和衰減器來調整信號功率,獲得更理想的錄制和回放結果。

最后,可使用外部時鐘(如OCXO)來提供GPS等標準所需的額外穩定性和頻率精度。

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