频谱监测与信号智能系统的系统组件详解

频谱监测和信号智能涉及使用工具和技术来分析无线电频谱。频谱监测为用户、监管机构及情报小组提供了关于频谱正在如何被使用的有用信息。从监管的角度来看，频谱监测可确保频谱使用者遵守当地法规和许可参数，以尽量减少频谱使用者之间的相互干扰。通信供应商或频谱发出者可以执行监视任务来确保系统的正确运行或者解决干扰问题。另外，频谱监测也为希望了解射频环境特性的情报机构提供有价值的信息，帮助这些机构收集信息来支持各项任务的执行。

1. 简介

许多频谱监测和信号智能应用可能需要连续实时地进行通信数据处理。一个常用的技术是将采集的射频频谱与预期的频率掩模进行对比来监测未预期传输的射频频谱。传统的扫频方式以测量系统采集和处理数据的频率进行该对比，但是数据处理的限制却导致需要监测的RF频段不能被连续监测。这可能会造成GSM或WiMAX等基于分组的通信方案能够避开检测，因为分析仪在扫描这些通信方案频率的时候可能没有信号传输。

基带数字化仪的基带I / Q数据可通过PCI Express总线传输回数字化仪的主控制器进行数据处理。现代多核处理器，如NI PXIe- 8106嵌入式控制器的多核处理器，可以对数据进行缩放、加窗和傅立叶变换，并以大于2.5 MS / s的速率将该数据与频率掩模进行对比，从而有效地监控多达10 MHz的RF带宽。对于需要更大带宽或者需要控制器CPU来实现其他功能的应用，现场可编程门阵列(FPGA)可以执行相同的处理，甚至速率更快。例如，NI PXIe- 5641R IF收发仪能够以每秒超过50,000次FFT的平均速率执行八次复杂的同步1024点快速傅里叶变换(FFT) 。这一速率足以持续监测20MHz的实时带宽。您可以通过DMA将数据从设备传输到主机再返回至另一个设备 ，这并不会明显增加总线或CPU的负担 。因此，这一架构用于进行基带数据处理是可行的。这些技术结合GPS同步和触发、与其他仪器的集成和小巧的组成结构等其他PXI特性，使得PXI成为频谱监测和信号智能的理想解决方案。

2. 支持FPGA的频谱监测和信号智能系统

NI PXIe- 5641R RIOIF收发仪可与NI PXI -5600下变频器和NI 8260高速数据存储模块相结合，用于持续监测和记录RF频谱。借助这些仪器的组合，您可在PXI平台上搭建支持FPGA的频谱监控或信号智能系统，覆盖从250 kHz至2.7 GHz的频率，实时带宽可达20 MHz。NI PXIe- 5641R具有两个独立的14位100 MS / s模数转换器(ADC) ，内置20 MHz带宽数字下变频器。该架构可有效地将I / Q数据提供给模块的Virtex -5 SX95T FPGA，继而借助NI LabVIEW FPGA模块实现分析、解调和信号处理任务。对于连续记录，可将每个FPGA模块的20MHz射频带宽数据（100 MB /秒）连续数小时传输至基于RAID的硬盘（如NI 8260）。基于LabVIEW和LabVIEW FPGA的可配置性，您可以对NI PXIe- 5641R进行编程，从而在硬件上进行实时信号分析和事件检测。本节探讨了这一支持FPGA的频谱监测与信号智能系统的系统组件。图1显示了NI PXIe- 1075机箱内的各个硬件组件。

图1. 基于PXI的频谱监测和信号智能系统

如需查看频谱监测应用，请访问频谱监测视频演示页面。

收发仪

NI PXIe-5641R包含一个带宽为20MHz且与Xilinx Virtex-5 SX95T FPGA相连接的中频(IF)收发仪。Xilinx Virtex-5 SX95T FPGA针对DSP进行了优化，可使用LabVIEW FPGA模块对其进行编程，它能够在硬件中以高速率低延迟执行复杂的解调和信号处理任务，适用于需要迅速反应和高输入信号带宽的应用。NI PXIe-5641R具有两路中频输入和输出，与模拟上变频器和下变频器相连接。

图2. NI PXIe-5641R RIO IF收发仪

下变频器

NI PXI-5600能够以高达20 MHz的带宽接收9 kHz-2.7 GHz射频信号，然后将其下变频至15 MHz的中频信号，从而能够与NI PXIe-5641R完美地相集成。其超外差架构确保了带外信号并不会牺牲输入动态范围。您可选择多达两个下变频器，通过NI PXIe-5641的两个IF输入分别调谐至不同的RF频率。PXI-5600是一款紧凑的双槽3U PXI模块。

图3. NI PXI-5600下变频器

高速数据存储

NI 8260是一款四驱动RAID。这款内置于机箱的高速数据存储模块总容量达1 TB，能够连续超过2.5小时记录20 MHz的射频带宽。NI 8260为您提供了一款可靠坚固且小巧紧凑的解决方案来应对频谱监测和信号记录应用。LabVIEW VI则可用于回放所记录的频谱，以便进行采集后分析。

图4. NI 8260四驱动RAID

PXI控制器
NI PXIe-8106是一款高性能PXI Express控制器，可帮助您在高速双核处理器上进行浮点处理，从而与FPGA的定点信号处理功能相互补充。PXI控制器是PXI系统的CPU。由于PXI的模块化特性，RF电路可以从仪器的处理功能中独立出来。CPU的发展速度远远超过射频电路技术，因此如果出现新的处理器或更先进的传感器，您只需要更换已经更新换代的系统元件，而不需要购买全新的仪器。

图5. NI PXIe-8106控制器

NI PXI和PXI Express组成结构分别搭载了双核和四核控制器。

软件

NI PXIe-5641R可使用LabVIEW FPGA 模块进行编程。LabVIEW FPGA非常适合用于FPGA编程，这是由于LabVIEW FPGA可为FPGA提供并行机制和数据流。借助LabVIEW FPGA模块，您可以创建自定义测量以及嵌入数字信号处理算法、解调方案和控制硬件，而无需掌握低级硬件描述语言或板卡级设计。

LabVIEW软件提供了一个独特且易于使用的图形化编程环境，是进行多核处理器编程的理想之选。借助该软件，您可以开发可利用多核处理器的并行算法。此外，由于PXI Express模块化仪器可利用PCI Express总线带来的高数据传输速率，因而更增强了这一优势。受益于多核处理器和PXI Express仪器的应用包括频谱监测和信号智能等多通道信号分析应用。

图6. 系统软件组件

使用LabVIEW FPGA创建的VI称为FPGA VI，运行于NI PXIe-5641R的FPGA上。而在LabVIEW中创建的VI称为Host VI，运行于主机上。FPGA VI和Host VI通过DMA在后台进行通信并相互传输数据，由于数据直接写入RAM，因而不会明显增加CPU的负担。您可以通过编程NI PXIe-5641R来解调或解码基带信号并将结果数据传输至主机。数据到达主机之后，您就可以使用LabVIEW分析和显示这些数据。

功能强大的主机工具(VI)可用于扩展LabVIEW的内置功能，使得用户能够使用下一节介绍的LabVIEW工具包对数据进行分析、处理和可视化。

NI 调制工具包

添加标准或自定义数字和模拟调制格式的信号生成、分析、可视化和处理。借助该工具包，您可以快速开发自定义应用，进行信号调制和解调通信系统和组件的科研、设计、特性描述、验证和测试。

NI 频谱测量工具包

利用灵活的主机频谱测量功能来测量带内功率、邻近通道功率以及占有带宽等参数。

NI LabVIEW 高级信号处理工具包

LabVIEW FPGA数字滤波器设计工具包包含于NI LabVIEW高级信号处理工具包中，可用于访问功能强大的时频分析功能以及创建运行于主机或FPGA的数字滤波器。访问 NI LabVIEW高级信号处理工具包页面，了解更多信息。