PXIe-5842第三代PXI矢量信号收发器简介

内容

• 简介
• ​PXIe-5842 VST的主要特性
• PXI VST软件工具
• PXI VST应用
• 结论
• 下一步

简介

NI于2012年引入了矢量信号收发器(VST)的概念。VST将RF信号发生器、RF信号分析仪和功能强大的FPGA集成在单个PXI模块上。PXIe-5842 VST是首款提供30 MHz到26.5 GHz连续频率覆盖范围的VST。PXIe-5842的可用瞬时带宽较以往型号增加了一倍，达到2 GHz，并针对误差矢量幅度(EVM)和平均噪声密度等关键指标改进了整体的RF性能。

产品规范	PXIe-5842性能
频率范围	30 MHz至26.5 GHz
带宽	高达2 GHz
Tx/Rx放大器精度	± 0.4 dB，典型值
Tx/Rx平坦度	± 0.45 dB，典型值（2 GHz带宽）
EVM (5G NR)	-58 dB（100 MHz，环回，测量值，启用噪声补偿）
EVM (802.11be)	-52 dB（320 MHz，环回，测量值，启用噪声补偿）
最大输出功率	+25 dBm，典型值（CW，5 GHz）
调谐时间	＜230 µs
PXI Express插槽	4

表1： PXIe-5842规范。有关详细信息，请参考产品规范。

图1： PXIe-5842第三代PXI矢量信号收发器

因此，VST适用于各类RF设计和测试应用，尤其是需要RF激励和响应的应用，包括Wi-Fi 7和5G无线设计验证和生产测试、原型验证和用于sub-THz (6G)研究的通道探测、用于电子扫描阵列(ESA)和无线通信的功率放大器和收发器的RFIC验证和特性化、ESA利用数字发射/接收模块(DTRM)、雷达系统验证以及通信和信号智能验证测试特性化。

PXIe-5842 VST的主要特性

PXIe-5842包含高性能RF信号发生器和RF信号分析仪。这两种仪器都采用从I/Q到RF的直接转换，经过优化后具有出色的测量表现。

主要技术特性：

高频率范围
高瞬时带宽
优化的RF前端
高性能本地振荡器(LO)
模块化架构
RF脉冲功能
用于数据流的数字接口

宽频率范围

PXIe-5842是首款在单个仪器中提供30 MHz到26.5 GHz连续频率覆盖范围的VST。WLAN、超宽带(UWB)、蓝牙、5G NR和无线电原型验证等应用和标准现可使用一台性能强大的多功能仪器进行测试。 先进的双通道合成器(PXIe-5655)与高频率覆盖范围，意味着您可以将PXIe-5842用于从VHF到K频段的各种航空航天和国防应用(A/D/G)，例如雷达目标仿真、电子战和卫星通信中的频谱监测，或用于雷达和卫星通信系统中常用的电子扫描阵列(ESA)组件的参数测试。

图2： 涵盖RF频谱和卫星通信的商业应用飞速发展

高瞬时带宽

现行的无线标准（如Wi-Fi或5G NR）使用更大的带宽信道，实现更高的峰值数据速率。最新的802.11be Wi-Fi标准定义的最大信道带宽为320 MHz。5G NR标准在FR1中定义的最大信道带宽为400 MHz。这些标准会继续演变，未来几年将能够支持更高的信道带宽。

此外，仪器的带宽要求往往会高于无线通信信道的带宽。例如，在数字预失真(DPD)条件下测试RF功率放大器(PA)时，测试设备本身必须提取PA模型，纠正非线性行为，然后生成经修正的波形。高级DPD算法通常需要3到5倍的RF信号带宽。因此，对于5G NR FR1（400 MHz信号），仪器带宽要求可能高达2 GHz，对于802.11be（320 MHz信号）可能达到1.6 GHz。

图3： 使用5倍信号带宽的DPD算法

PXIe-5842 VST的一个显著改进是瞬时带宽提高至2 GHz。带宽加宽后，工程师可以应对更具挑战性的应用。例如，在测试5G NR设备时，许多5G载波相差几百兆赫。因为PXIe-5842具有大带宽特性，工程师可以使用一台仪器生成或分析多个5G NR载波，而不必再使用多台仪器。

此外，宽带雷达系统通常需要高达2 GHz的信号带宽来准确地捕获脉冲信号。而且，在频谱监测系统中，仪器的带宽可显著提高扫描速度。最后，宽信号带宽是许多先进研究应用的基本要求。

表2： 无线标准信道带宽的演变

优化的RF前端

PXIe-5842设计了3个不同的接收器/发射器基带路径，针对各个测试条件优化了RF前端，能够实现卓越性能，这3个路径分别是：

• 直接RF采样路径，用于中心频率低于1.75 GHz的情况。这条路径支持更简单的RF链，生成和采集时不会出现像LO泄漏和残留边带图像等减损。
• 低IF基带路径，该路径针对信号的高动态范围进行了优化，瞬时带宽(IBW)高达900 MHz。在此路径上，信号发生器和信号分析仪将LO偏移至带外频率，从而改善频率响应，实现3 dBm/Hz的更优平均噪声密度。
• 零IF基带路径，针对宽带宽信号进行了优化，IBW高达2 GHz。

图4： PXIe-5842矢量信号收发器(VST)示意图

高性能LO

PXIe-5842 VST由PXIe-5842模块和高性能双LO合成器PXIe-5655组成，相位噪声性能出色。

下一代无线设备对EVM的性能要求更加严格。当今无线设备的RF前端基于较高阶的调制方案和宽带多载波信号配置，需要有更佳的线性度和相位噪声才能提供所需的调制性能。因此，用于无线设备测试的测试仪表必须提供更精准的RF性能。 PXIe-5842 VST采用先进的专利I/Q校准技术，可为宽带信号提供出众的EVM性能。例如，对于802.11be、320 MHz、4096-QAM、12 dB PAPR波形，PXIe-5842可实现-52 dB EVM。使用NI的专利互相关技术可以进一步提高EVM性能，我们的RFIC Test Software可提供该技术。

图6： 配备PXIe-5842和RFIC测试软件的802.11be待测设备

良好的相位噪声是现代雷达系统中最关键的因素之一。雷达系统的工作原理是以一个频率发射一个脉冲，然后测量返回脉冲的频移，根据多普勒效应，频移与被成像物体的速度有关。相位噪声性能差，则会降低处理多普勒信息的能力。PXIe-5842的典型相位噪声性能为100 Hz至18 GHz偏移时-80 dBc/Hz，是雷达目标生成和分析的理想选择。

由于典型的LO调谐时间低于230 µs，PXIe-5842可以为航空航天和国防业中常见的需要低延迟跳频的应用提供支持。

模块化且易于同步

现代通信标准使用的是复杂的多天线技术。在这些系统中，多输入多输出(MIMO)配置通过更多空间流提供更高的数据速率，或通过波束成形提供更稳定的通信。得益于MIMO的这些优势，802.11be或5G NR等下一代无线技术将采用更复杂的MIMO方案，在单个设备上使用多达128根天线。

不足为奇的是，MIMO技术大大增加了设计和测试的复杂程度。它不仅增加了设备的端口数量，同时也提出了多通道同步要求。为了测试MIMO设备，RF测试设备必须能够同步多个RF信号发生器和分析仪。在这些配置中，仪器的规格参数和同步机制至关重要。

图7： 工程师可在一个18槽PXI机箱内同步多达4个PXIe-5842。

第三代VST为紧凑型设计，工程师可以在一个18槽PXI机箱中同步多达4个VST。此外，工程师还可以用完全相位相干的方式来同步VST。在硬件方面，每个VST都可以导入或导出LO，从而使所有模块可以共享一个公共LO。在软件方面，工程师可以使用NI的专利NI-TClk技术，通过NI-TClk API轻松实现多台仪器的同步。借助此API，工程师可以同步多个VST，甚至可以基于LabVIEW、C/C++或.NET将VST与其他模块化仪器同步。

图8： 利用NI-TClk API，工程师可以将VST与其他PXI仪器同步。

RF脉冲功能

在现代通信和雷达系统中，先进的RF脉冲功能已成为设计、测试和优化这些复杂系统的关键方法。脉冲功能包括从精确定时和脉冲调制到波形生成和瞬态分析。通过充分利用射频脉冲技术的潜力，工程师和研究人员能够在各种应用中解锁性能、稳定性和效率的新维度。

PXIe-5842 VST新增了专用的脉冲输入和输出连接，位于仪器的前面板上。集成的RF信号链支持各种脉冲宽度和脉冲重复间隔(PRI)，并针对脉冲宽度优化开/关比，以实现通信、控制系统以及雷达和电子战应用中的本地脉冲生成功能。您可以在生成的波形中使用基于采样的标记来控制脉冲调制，也可以使用针对低延迟和抖动进行了优化的专用“脉冲输入”输入连接器从外部控制脉冲调制。数字触发也可与RF脉冲边沿对齐，并从专用的“脉冲输出”连接器导出。

图9： 条件：使用1 GHz的CW信号测量。脉冲宽度100 ns； 10%占空比；脉冲调制源： PulseIn；脉冲调制模式： 模拟。

图10：条件：开/关比范围为30 MHz至26.5 GHz。每个频率点的功率水平设为最大指定输出功率。

VST可使用RFmx Pulse（一种集成在RFmx中的测量工具）和InstrumentStudio™ 软件生成和测量脉冲RF波形.RFmx Pulse能够实现不同的脉冲类型、调制方案和各种测量，有助于实现直观的脉冲测量，同时可与RFmx SpecAn、 RFmx DeMod、 RFmx Phase Noise等工具配合使用，实现更完整的RF从常规频谱测量到雷达和电子战参数和功能测试、电子扫描阵列特性分析(ESAC)和数字TRM应用级测试的测量。

用于数据流的数字接口

第三代VST具有灵活的数字接口，能够与协处理器模块进行高速并行和串行通信。与上一代VST一样，PXIe-5842前面板上的数字I/O端口可用作通用端口，能够在四个发送通道和四个接收通道上以12 Gbps的速度进行高速串行数据传输，也可用作通用端口一个八端口高速并行数字接口，连接至VST上的FPGA。

PXIe-5842 VST的新增功能是高速串行接口，该接口由四个多千兆位收发器(MGT)组成，每个连接器具有四个TX和四个RX通道，每个通道的数据传输速度最高可达16 Gbps。用户可将VST连接至外部高速串行FPGA模块，例如NI PXIe-7903，从而以全数据速率传输高带宽应用，同时与高度集成的实时系统保持紧密同步数字信号处理模块。

VST配备高速串行协处理器，可满足需要VST提供的全部带宽的应用和产品的需求，例如卫星通信遥测和数据链路验证、射频波束成形和测向、宽带频谱监控以及射频记录和回放.对于从事sub-THz 6G研究的用户，将第三代VST与PXIe-7903高速串行仪器搭配使用，可实现高达4 GHz瞬时带宽的实时、持续I/Q数据流式传输设备。

PXI VST软件工具

VST最独特的特性之一是其高度可扩展的软件架构。VST经过精心设计，具有多种软件选项，包括软面板的入门体验和高级编程API。

VST的软面板体验是一种非常简单易用的软件选项。借助软面板，用户可以快速、轻松地配置RF信号发生器或分析仪，从而调试连接件并快速获取测量结果。例如，在图13中，工程师可通过软面板配置VST，以便测量相邻信道功率(ACP)。

图13： 用户可以使用RFmx软面板配置VST进行快速测量。

图14： RFmx中的信道功率测量

第二种软件选项采用NI RFmx，它提供了一个直观的编程API，支持易于使用的高级测量配置。C语言、.NET和LabVIEW的范例程序超过100种，工程师可以任选其一着手。这些范例旨在简化仪器的自动化。例如，图14展示的是使用RFmx LabVIEW范例的信道功率测量，该范例只使用了7个函数调用。

PXI VST应用

射频前端(RFFE)验证

在5G和Wi-Fi 6等宽带标准下测试RF前端时，工程师必须在更多的频带下，使用日益复杂的调制方案在不同载波聚合场景下验证新的RF前端设备。随着市场对效率和线性度的要求越来越高，工程师们需要在50 Ω和非50 Ω的环境中，使用最新的数字预失真(DPD)算法和紧密同步的包络跟踪(ET)配置来验证设计性能。

NI的RFFE验证参考架构可执行所有4种关键DPD操作：设备行为特性分析、模型提取、模型反演和基带IQ样本的预失真应用。客户可借助NI的RFIC Test Software应用DPD模型并以交互方式观察设备行为。
宽带功率放大器的包络跟踪(ET)依赖于ET电源(ETPS)，结合调制无线信号的幅值，动态地改变直流电源。包络跟踪可以尽可能地让PA维持在靠近压缩区的区域，从而提高整体效率。对于ET测试，NI RFFE验证参考架构可将多种仪器的使用转化为易于配置的统一测量体验，简化VST、高带宽任意波形发生器(AWG)和高速数字化仪的控制和同步。

图15： DPD条件下PA验证测试的典型配置

RFFE生产测试

客户可以将PXI作为一个独立的系统或作为NI半导体测试系统(STS)的一部分进行部署，用于对RFFE组件进行生产测试。STS将NI PXI平台与速度经优化的NI测试软件相结合，在一个适用于生产环境的全封闭测试头内实现了高测试吞吐量。

图16： 不同的RFFE生产测试解决方案

STS外壳内包含了生产测试系统的所有关键组件，包括测试仪器、待测设备(DUT)接口和设备分选机/探针对接机制。STS采用开放式模块化设计，使您可以利用最新的工业标准PXI模块，连接更多的仪表，获取更强大的计算能力，进而降低RFFE生产测试的整体成本。

系统级测试的雷达目标生成

要将多个子系统组装成一个功能完备的雷达系统，工程师需要一种系统级测试解决方案，来确保所有子系统集成后的端到端功能正常运行，包括雷达处理软件。雷达系统级测试要求真实/实时地基于发射的雷达脉冲生成一个接收目标脉冲。 这种“真实”和“实时”的严苛要求意味着低延迟和确定性；当数据总线和操作系统插入测试仪的接收和发送路径之间时，在数字系统中实现这两点都具有挑战性。

NI基于VST，为负责基础雷达生产和功能测试的工程师提供了专门的解决方案。

图17： 基本雷达系统组件

电子扫描阵列(ESA)特性分析

电子扫描阵列(ESA)形式多样，包括无源电子扫描阵列(PESA)和有源电子扫描阵列(AESA)，是雷达和通信应用中现代化RF系统的基石。随着行业向ESA技术的转型，雷达系统中的电子元件数量与日俱增。无论是雷达还是卫星通信，开发ESA都需要多个步骤：基本组件的设计或选择、集成，将这些组件集成至功能模块和子组件的验证，以及最后集成到最终阵列后的系统级验证。每个阶段都包括关键建模、特性分析和最终的生产测试，整个生命周期的相关性是重中之重。

NI提供了测试ESA系统元素所需的硬件和软件工具。

卫星通信遥测和数据链验证系统

近年来，低地球轨道(LEO)和中地球轨道(MEO)的商业化催生出多种现代卫星应用，例如，非地面网络(NTN)、高分辨率遥感探测和影像等。为支持这些新服务而开发的卫星星座、地面设备和辅助运载火箭采用了全新通信和数据链技术，这反过来也导致其设计、系统验证和生产测试面临着新的挑战。

NI提供了广泛的硬件和软件验证解决方案，帮助客户开发高性能的空间通信系统。

结论

无线技术的复杂性增加，使得对更强大且多功能的RF仪器的需求与日俱增。PXIe-5842是现有性能最强大的PXI VST，也是唯一可以配置为测试所有现代化无线标准（如蓝牙、Wi-Fi、5G NR或UWB）以及卫星通信的PXI产品。 它能够提供覆盖VHF到K雷达频带的连续频率覆盖范围。PXIe-5842的瞬时带宽提高至2 GHz，RF性能也得到了改善，能够应对十分困难的测试和测量挑战。PXIe-5842与上一代VST使用同样的通用软件工具，这意味着客户将拥有无缝的升级体验，能够将他们以前的应用快速移植到新的PXIe-5842上。