基于NI通用编程开发平台的无线采集处理系统

刘廷银　赵双江　刘京京

摘要：通常在一个无线通信系统的研发初期，需要对各种无线标准，各种实验场景进行反复验证。如果针对每一种标准和场景均开发或者购买相应的软硬件平台，会大大提高开发成本，而且这些专用的软硬件平台很难应用于以后其他通信系统的研发当中，造成极大的浪费；本文设计了一种基于NI通用编程开发平台的无线采集处理系统，其具有良好的兼容性，便于开发和进行系统设计，较好地满足了无线通信系统的基本研发需求。

关键词：信号处理 定义无线电 开发平台

中图分类号：TP316 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2016）08-0141-01

1 无线采集处理系统需求背景

在通用无线通信硬件平台的基础上，可以通过软硬件语言编程的形式实现各种处理功能。然而这个过程仍然面临着编程方式繁琐复杂，调试、错误诊断困难等问题。而图形化、可视化的编程语言，如Labview，具有直观的前面板和流程图式的编程方法。它能够增强构建系统的能力，提供编程的巨大灵活性以及完善的性能，大大缩短系统的开发周期。

2 无线采集处理系统设计

通用可视化编程开发平台可用于数据采集与处理、信道测量与分析、关键算法研究、原型系统研制等。

（1）数据采集与处理。利用该平台可以进行数据采集和记录，其基本目的是提供可供信号分析、协议验证的实验数据。

（2）信道测量与分析。无线通信的传输速率和传输质量最终都要受到无线信道的制约。该平台以其灵活的模块化架构，能够针对多种标准和场景测量相应的信道状态信息，并完成后续的分析处理。

（3）关键算法研究。该平台不仅具有一个很强的通用性，还拥有可视化的编程开发环境。能够方便快捷地验证各种算法的性能。

以无线信号采集处理过程为例，通常所需通信实验系统要能够支持实时通信。基带波形可通过软件编程实现带宽为10MHz的任意波形，如：扫频信号、升余弦信号以及各种自定义的不规则信号；基带波形可在通信过程中实时改变；调制方式可通过软件编程实现，支持中频采样数据的实时存储等。

由于带有Labview-FPGA实时开发工具，通用可视化编程开发平台能够方便快捷地实现各种基带信号处理算法。一方面，该平台支持实时可视化FPGA开发模式，利用FPGA完成各种高速信号处理时比传统方法效率更高，调试手段也更为灵活；另一方面，该平台还能够在基带利用Labview完成各种算法，能够很好地满足项目需求，并能达到各项具体指标。

（4）原型系统研制。以无线通信原型系统设计的项目为例，该系统基于时分复用的思想，利用一套收发平台实现一个完整的物理层通信流程。该原型系统由控制部分、基带和中频模块、射频模块三部分构成。控制部分主要用于时分收发切换以及数据帧格式的调整等；基带和中频模块基于软件无线电思想，用于灵活地实现各种算法；射频模块可支持宽带范围内发射信号的灵活配置。可见，该系统可以实时灵活配置各种编码调制方式，以适应于不同的应用场景。

3 NI通用可视化编程开发平台

3.1 NI通用硬件平台

实现单发单收的NI通用可视化开发平台采用PXIe硬件结构，硬件平台的各个模块功能极其参数说明如下：

（1）NI PXIe-1062Q：NI PXIe-1062Q是一个带通用电源的8槽3U PXIe机箱，其高带宽背板可提供每插槽高达1 GB/s的专用带宽以满足高效运转需要。NI PXIe-1062Q具有4个PXI外围插槽、1个具有系统定时功能的PXI Express插槽、2个既可接受PXI外围模块又可接受PXI Express外围模块的PXI Express混合插槽。NI PXIe-1062Q机箱运行的温度可扩展到55℃，在温度低于30℃时其噪声发射可低至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系统嵌入式控制器，相当于主机功能，用来运行Labview软件，实现各种控制等功能。

它配有2.53 GHz双核处理器和800 MHz DDR2内存，PXIe-8108与PXIe-5641R之间的实时数据传输能力能达到20MB；存储文件传输数据可达100MB以上。利用Labview产生的基带I/Q两路信号通过PXIe总线传给PXIe-5641R。

（3）PXIe-5641R：PXIe-5641R是一个通用中频收发器，可以完成数字的上下变频和后续的数字信号处理。由于基于FPGA架构，其通道数，滤波器系数等参数均可以自己设计，比ASIC更加灵活。

PXIe-5641R为两路中频信号收发，两入，两出；20MHz实时中频带宽；处理芯片为xilinx V5，提供640个乘法器、超过14，000片（slice）和将近100，000个逻辑单元；两个100MS/s，14bit ADC；两个200 MS/s，14bit DAC；250K到80MHz的中频频率；本身提供抗混叠抽取和数字下变频的功能。

（4）PXI-5600：PXI-5600为模拟下变频，将射频接收的信号通过三级变频下变频到中频，以便后续的数字化和信号处理。

它的的基底噪声为-135dBm/Hz，具有高精度晶振，10MHz，50ppb频率精度，相当于0.05ppm；9 kHz-2.7 GHz，20 MHz实时带宽。PXI机箱具有时钟，而且还可以利用专用时钟卡。

3.2 NI可视化编程开发平台（Labview）

Labview是NI公司实现虚拟仪器的软件平台，内嵌有多种通信开发工具包。在项目的采购中，主要基于Labview的软件平台。该方案可提供灵活的基带算法编程手段，高效地对各种算法进行验证，并且可承载高层协议。整个方案共由三部分构成：Labview核心软件，Labview-FPGA开发工具以及NI实时开发工具。