使用NI USRP平台实现射频信号录制和回放操作演示

本文档描述了如何在NI USRP™(通用软件无线电外设)平台上实现射频信号录制和回放操作。NI提供了各种用于录制和回放应用的射频硬件和软件，以满足用户的成本和质量要求。本指南专门阐述了如何使用NI USRP这一款价位适中且体积小巧的解决方案。对于同一应用，用户还可使用保真度更高的NI PXI解决方案来获得更高的带宽，显著提高信号的质量。以下范例包含专门针对每一部分设计的代码，以帮助用户集成录制和回放系统。

一、射频录制和回放系统

本指南重点介绍了一些特定软件和硬件的开发，以帮助用户最大化p(t)和s(t)之间的关联性。尽管其中一些参数对于许多RF系统都适用，此范例主要参考了以下两个系统：

图1. NI USRP-2920无线电收发器可直接转换为发射机或接收器，工作频段为50 MHz - 2.2 GHz，通过一个1兆位以太网端口连接至上位机。理论上系统的最大采样率为25 MS/s，可用带宽为20 MHz。

图2. NI USRP-2921 无线电收发器可直接转换为发射机和接收器，工作频段为2.4 - 2.5 GHz和4.9–5.9 GHz，通过一个1兆位以太网端口连接至上位机。理论上系统的最大采样率为25 MS/s，可用带宽为20 MHz。

二、背景参考

理想的射频录制和回放系统模型为

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

其中，

        s(t)表示需录制的信号
        r(t)表示已录制的信号
        p(t)表示回放的信号

由于系统不可能是理想的，因此以上方程式应为

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

其中，

        ns(t)表示系统噪声（采集和生成设备）
        n(t)表示环境噪声
         i(t)表示环境干扰

稍后可返回此处查看这些关系。

三、录制

1、最大化动态范围

用户可通过增益或衰减来最大化NI USRP-292x系列的动态范围，以确保输入信号充分利用模数转换器(ADC)的所有14位数字。ADC的输入范围是1 Vpp。USRP接收链中ADC的输入功率为非线性输入，且随着频率的变化而变化。NI-USRP驱动程序提供了0 dB - 30 dB的放大增益设置选项。

录制信号时尽可能提高增益，以在没有削波的情况下充分利用ADC的全动态范围。由于驱动程序中I和Q都调整为1，因此理想的调整应使幅值接近1。可通过公式计算复杂的幅值。对于调制信号和突发信号来说，这并不是轻松就可实现的，因为功率会随着时间的变化而变化。任何对输入信号的事先了解都有助于调节增益来实现ADC的最优动态范围。但是，目标信号可能会夹杂其他多余的噪声信号或邻近信号而影响录制。噪声信号用n(t)表示，干扰信号表示为i(t)。

首先，考虑目标信号s(t)和目标硬件的带宽。如果硬件带宽等于s(t)的带宽，则其信号噪音失真比(SINAD)将比带宽远大于其值的硬件的SINAD更高。详细说明请参见图3，图3显示了NI USRP-2920的输入路径：

图3. 录制时信号通过的路径（RX 2射频输入）

输入信号s(t) + n(t) + i(t)的功率限制在20 MHz抗混叠低通滤波器提供的内部固定输入带宽40 MHz，不受用户所请求的带宽的影响。

ADC将基带信号数字化后，内部现场可编程门阵列(FPGA)上的板载信号处理器(OSP)滤除指定的中心频率成分，并将驱动程序请求的I/Q采样率降低至200 kS/s - 25 MS/s之间。输出信号通过1兆位以太网电缆传输，并由上位机录制。

例如，带宽为20 MHz时，假设s(t)表示频率为91.5 MHz的FM无线电台信号，该信号的带宽是200 kHz。且假设存在其他各种不同功率、带宽在40 MHz之内的无线电台，如图4所示：

图4. FM无线电频段的频谱范例

NI USRP-2920射频输入端的输入功率并不仅是s(t)的功率，而是整个40 MHz频段的功率，超出图中所示的20 MHz频段。由于这些高频信号必须考虑在内，因而录制的动态范围也将受到影响。

图5. 使用数模转换器的动态范围，不进行任何前端滤波

指定某个I/Q速率时，前端滤波和数模转化的固定速率（约为100 MS/s）并不会改变。板载信号处理器接收全速率采样的信号后，进行数字滤波，并在通过1兆位以太网总线传输数据之前根据请求的I/Q速率进行下采样。当I/Q速率为200 kS/s且带宽约为200 kHz时，带宽和采样率具有相关性。I/Q速率降低时，数据通过以太网总线传输回上位机所需的数据速率也随之降低。

为了提高此情况下的性能，可使用外部带通滤波器来隔离期望信号，如图6所示：

图6. 使用数字化仪的动态范围对全动态范围信号进行自定义前端滤波

由于对频谱中的多余信号进行预测是非常困难的，因此用户需要对信号以及相邻40 MHz带宽内的信号有透彻的了解。可采用射频测量设备，如NI PXI射频解决方案，来精确测量输入功率，并更好地预测所需的增益。测试应用还有助于视觉化这些参数，帮助设置正确的录制参数。用户可按以下方法进行测试：将NI USRP-2920的增益设置为远高于所采集信号的功率，然后降低参考电平，直至数模转换器削波。然后再增大参考电平2 dB - 3 dB，以在录制时允许小信号变量获得动态余量。如果信号的峰均比过高，则继续增大参考电平。

2、录制信号的数据类型

录制的波形是带通信号的等效基带信号，也称为复包络或I/Q数据。用户还可以任何形式存储数据，但如果要以高速率将数据写入磁盘，则必须在录制过程中最小化数据的处理量。因此，范例中的数据存储为带符号的16位整数。此格式为数据通过以太网传输和存储在计算机内存的格式；用户只需将数据从计算机的内存复制到磁盘中。

I/Q数据阵列按如下形式交插排列

I0, Q0, I1, Q1, I2, Q2….. In, Qn

其中n表示采样的数量。

数据类型会影响磁盘的大小，一个16位的整数占用2个字节。对于复杂的I/Q信息，每个I/Q值占用4个字节。25 MS/s的数据速率可将信息以100 MB/s的速率传输至计算机，该速率超过大多数硬盘驱动器的连续写入速率。若需维持高数据速率，建议使用廉价磁盘冗余阵列(RAID)，如NI HDD-8265 RAID外盒，它可在6万亿字节、12万亿字节和24万亿字节的配置下维持高达600 MB/s的速率。

四、回放

录制和回放系统的最大困难之一在于重现与录制时相当的信号。这对于在实验室中以与现场相同的条件测试待测设备(UUT)非常有帮助。

使用NI-USRP驱动程序回放射频信号时，必需设置以下属性：

·  I/Q速率[S/s]
·  载波频率[Hz]
·  增益[dB]

用户不仅需要录制指定的值，还需要录制强制值，这是因为I/Q速率是源于一个按离散增量分割的100 MS/s时钟（并非所有I/Q速率都是如此）。如果设置信息未提供，也就无从知道采样速度和功率参考值，因而就无法精确重现录制的信号。

设置这些参数以及录制强制值只需根据NI USRP Configure Signal VI的指示进行即可，如图7所示：

图7. 获取强制参数值（硬件使用的实际参数）

NI提供了范例代码来指导用户更轻松地录制和回放架构。用户应在指定操作条件下以指定频率对NI USRP-2920进行特征记述，并定期或对输出值存在疑问时重新验证这些值。如若需要一个在各种频率和温度下都能保证性能的已校准解决方案，则可选择NI PXI RF解决方案。

五、最佳实践

1、频率精度

调制方案和标准不同，频率精度公差也不尽相同。在GPS等应用中，用户需要执行录制和回放。在此情况下，需要将一个外部10 MHz时钟源（如恒温器控制的晶体振荡器(OCXO)）连接至NI USRP设备前面的参考输入(Ref In)端口，并在驱动程序中指定该时钟源。

2、直流偏置/本振泄露

在某些情况下，本振(LO)信号会通过混频器泄露到传输的信号。这可能会导致I和Q信号出现直流偏置，形成强载波信号。如果本振泄露比射频波形更强，则可对中心频率上下的基带进行频移，然后传输所要传送的波形。例如，如果I/Q速率设置为5 MS/s (±2.5 MHz)，则带宽为1 MHz（-500 kHz ~ 500 kHz）的信号可频移至1.5 MHz（1 MHz ~ 2 MHz带宽）。通过频移和使用外部无源滤波器，用户可传送发射信号，减小本振，实现对接收端待测设备的最小干扰。

3、录制和回放附件

天线、直流偏置器（用于通电有源天线）、外部放大器、滤波器、衰减器均是进行信号录制和回放的常见附件。放大器通常应用于接收器以增强弱信号；但是添加增益的同时也会增加本底噪声。直流偏置器将直流信号发射至有源天线，同时接收沿同一路径发射回来的射频信号，阻断直流信号，允许射频信号通过。例如，GPS录制可通过有源天线、带电源的直流偏置器、通电的30 dB低噪声放大器(LNA)来实现。而信号回放只需直接连接至GPS，并通过几个衰减器来使输出功率衰减至实时GPS信号的功率就可实现。

六、结论

本指南阐述了成功录制和回放射频信号所需的一些概念和参数。用户可了解到在最大化信号采集的动态范围时，低信号功率级别和带外信号都会导致其难度增加。但可通过放大器和衰减器来调整信号功率，获得更理想的录制和回放结果。

最后，可使用外部时钟（如OCXO）来提供GPS等标准所需的额外稳定性和频率精度。