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：

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。

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。可通過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：

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：

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。

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：

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：

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。