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