基于NI通用編程開發平臺的無線采集處理系統

劉廷銀　趙雙江　劉京京

摘要：通常在一個無線通信系統的研發初期，需要對各種無線標準，各種實驗場景進行反復驗證。如果針對每一種標準和場景均開發或者購買相應的軟硬件平臺，會大大提高開發成本，而且這些專用的軟硬件平臺很難應用于以后其他通信系統的研發當中，造成極大的浪費；本文設計了一種基于NI通用編程開發平臺的無線采集處理系統，其具有良好的兼容性，便于開發和進行系統設計，較好地滿足了無線通信系統的基本研發需求。

關鍵詞：信號處理 定義無線電 開發平臺

中圖分類號：TP316 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2016）08-0141-01

1 無線采集處理系統需求背景

在通用無線通信硬件平臺的基礎上，可以通過軟硬件語言編程的形式實現各種處理功能。然而這個過程仍然面臨著編程方式繁瑣復雜，調試、錯誤診斷困難等問題。而圖形化、可視化的編程語言，如Labview，具有直觀的前面板和流程圖式的編程方法。它能夠增強構建系統的能力，提供編程的巨大靈活性以及完善的性能，大大縮短系統的開發周期。

2 無線采集處理系統設計

通用可視化編程開發平臺可用于數據采集與處理、信道測量與分析、關鍵算法研究、原型系統研制等。

（1）數據采集與處理。利用該平臺可以進行數據采集和記錄，其基本目的是提供可供信號分析、協議驗證的實驗數據。

（2）信道測量與分析。無線通信的傳輸速率和傳輸質量最終都要受到無線信道的制約。該平臺以其靈活的模塊化架構，能夠針對多種標準和場景測量相應的信道狀態信息，并完成后續的分析處理。

（3）關鍵算法研究。該平臺不僅具有一個很強的通用性，還擁有可視化的編程開發環境。能夠方便快捷地驗證各種算法的性能。

以無線信號采集處理過程為例，通常所需通信實驗系統要能夠支持實時通信。基帶波形可通過軟件編程實現帶寬為10MHz的任意波形，如：掃頻信號、升余弦信號以及各種自定義的不規則信號；基帶波形可在通信過程中實時改變；調制方式可通過軟件編程實現，支持中頻采樣數據的實時存儲等。

由于帶有Labview-FPGA實時開發工具，通用可視化編程開發平臺能夠方便快捷地實現各種基帶信號處理算法。一方面，該平臺支持實時可視化FPGA開發模式，利用FPGA完成各種高速信號處理時比傳統方法效率更高，調試手段也更為靈活；另一方面，該平臺還能夠在基帶利用Labview完成各種算法，能夠很好地滿足項目需求，并能達到各項具體指標。

（4）原型系統研制。以無線通信原型系統設計的項目為例，該系統基于時分復用的思想，利用一套收發平臺實現一個完整的物理層通信流程。該原型系統由控制部分、基帶和中頻模塊、射頻模塊三部分構成。控制部分主要用于時分收發切換以及數據幀格式的調整等；基帶和中頻模塊基于軟件無線電思想，用于靈活地實現各種算法；射頻模塊可支持寬帶范圍內發射信號的靈活配置。可見，該系統可以實時靈活配置各種編碼調制方式，以適應于不同的應用場景。

3 NI通用可視化編程開發平臺

3.1 NI通用硬件平臺

實現單發單收的NI通用可視化開發平臺采用PXIe硬件結構，硬件平臺的各個模塊功能極其參數說明如下：

（1）NI PXIe-1062Q：NI PXIe-1062Q是一個帶通用電源的8槽3U PXIe機箱，其高帶寬背板可提供每插槽高達1 GB/s的專用帶寬以滿足高效運轉需要。NI PXIe-1062Q具有4個PXI外圍插槽、1個具有系統定時功能的PXI Express插槽、2個既可接受PXI外圍模塊又可接受PXI Express外圍模塊的PXI Express混合插槽。NI PXIe-1062Q機箱運行的溫度可擴展到55℃，在溫度低于30℃時其噪聲發射可低至43.6 dBA。

（2）NI PXIe-8108：NI PXI-8108是是基于Intel Core 2 Duo T9400的高性能嵌入式控制器，可用于PXI Express和CompactPCI Express系統嵌入式控制器，相當于主機功能，用來運行Labview軟件，實現各種控制等功能。

它配有2.53 GHz雙核處理器和800 MHz DDR2內存，PXIe-8108與PXIe-5641R之間的實時數據傳輸能力能達到20MB；存儲文件傳輸數據可達100MB以上。利用Labview產生的基帶I/Q兩路信號通過PXIe總線傳給PXIe-5641R。

（3）PXIe-5641R：PXIe-5641R是一個通用中頻收發器，可以完成數字的上下變頻和后續的數字信號處理。由于基于FPGA架構，其通道數，濾波器系數等參數均可以自己設計，比ASIC更加靈活。

PXIe-5641R為兩路中頻信號收發，兩入，兩出；20MHz實時中頻帶寬；處理芯片為xilinx V5，提供640個乘法器、超過14，000片（slice）和將近100，000個邏輯單元；兩個100MS/s，14bit ADC；兩個200 MS/s，14bit DAC；250K到80MHz的中頻頻率；本身提供抗混疊抽取和數字下變頻的功能。

（4）PXI-5600：PXI-5600為模擬下變頻，將射頻接收的信號通過三級變頻下變頻到中頻，以便后續的數字化和信號處理。

它的的基底噪聲為-135dBm/Hz，具有高精度晶振，10MHz，50ppb頻率精度，相當于0.05ppm；9 kHz-2.7 GHz，20 MHz實時帶寬。PXI機箱具有時鐘，而且還可以利用專用時鐘卡。

3.2 NI可視化編程開發平臺（Labview）

Labview是NI公司實現虛擬儀器的軟件平臺，內嵌有多種通信開發工具包。在項目的采購中，主要基于Labview的軟件平臺。該方案可提供靈活的基帶算法編程手段，高效地對各種算法進行驗證，并且可承載高層協議。整個方案共由三部分構成：Labview核心軟件，Labview-FPGA開發工具以及NI實時開發工具。