Bezdrátová komunikace se stala součástí téměř každého elektronického zařízení, od lednic a jiných elektrických přístrojů až po obecně rozšířené mobilní telefony a tablety. Jakmile ale nastane čas doplnit vaši aplikaci o testování bezdrátové komunikace, může jít o úkol výrazně náročnější, než sestavení klasických měření prováděných v minulosti.

 

I když ponecháme stranou teorii měření vysokofrekvenčních signálů (kterou se lze s  určitým úsilím naučit), rychle rostoucí a měnící se požadavky trhu můžou brzy odstavit bezdrátovou technologii použitou ve vašem nejnovějším zařízení na vedlejší kolej. Měření VF a mikrovlnných signálů je většinou jednou z nejdražších částí testovacího a měřicího systému. Navíc čas související s prováděním těchto měření se rychle prodlužuje, pokud není vybavení optimalizováno. Kromě toho, rychle se měnící komerční standardy, jako jsou LTE, 802.11ac, Bluetooth, a tak dále, vyžadují nestálý proces učení a úpravy systémů. V současnosti standardů spíše přibývá, než ubývá. Proto se doba potřebná pro testování neustále prodlužuje. V neposlední řadě, dodavatelé tradičního vybavení pro testování ve většině případů zůstávají u instrumentace určené pro jediný protokol či poměrně omezenou množinu protokolů, což má často za následek nutnost změny architektury celého testovacího systému.

 

Proto vzniká potřeba větší modifikovatelnosti v případě softwaru a větší modularity hardwaru pro VF a mikrovlnnou instrumentaci. Pro splnění těchto požadavků přehodnotila společnost National Instruments tradiční přístup a pro návrh systémů zkombinovala hardware PXI se softwarem NI LabVIEW. Pro své produkty NI také využívá komerční technologie, jako jsou vícejádrové procesory, programovatelné obvody FPGA, hardware PCI Express a software pro návrh systémů. Zkombinováním těchto technologií a vlastního know-how dosáhly VF systémy požadované flexibility a škálovatelnosti. Tyto vlastnosti budou v budoucnu vyžadovány čím dál více pro aplikace zahrnující testování a měření vysokofrekvenčních technologií.

 

Abyste pochopili, jak došlo k tomuto posunu, podívejte se na klasický spektrální analyzátor a jeho fixní, neefektivní architekturu. Tradiční spektrální analyzátor používá při měření spektra přeladitelný filtr: lokální oscilátor je přelaďován napříč měřeným pásmem a výsledný signál střední frekvence prochází analogovým mezifrekvenčním filtrem (RBW). To prodlužuje dobu testování a omezuje flexibilitu.

 

Pokud je jedním z hledisek, která vás při testování zajímají, doba potřebná pro měření spektra, závisí tato především na rychlosti přeběhu lokálního oscilátoru (viz obr. 1). V takové situaci má na rychlost měření malý vliv proces přenosu hodnot do počítače či jejich zaznamenávání, jelikož VF měření obvykle trvají o řád déle (desítky až stovky milisekund), ve srovnání s latencí v řádu milisekund související s řízením přístroje přes LAN či GPIB. Proto jste se při snaze o zrychlení měření nezaměřovali na komunikační sběrnici, jelikož to bylo zbytečné už kvůli samotné architektuře měření.

 

Tradičně, pokud jste chtěli přizpůsobit schopnosti spektrálního analyzátoru tak, aby pokrýval více standardů, soustředili jste se na výrobce. Velká část funkcionality přístroje byla dána výrobcem při výběru analogových komponent a fixního zpracování signálu, s cílem pokrýt co největší množství možných scénářů použití už při vývoji samotného přístroje. Toto byl původní přístup, který se nebyl schopen přizpůsobit dnešním požadavkům bezdrátových technologií. Pokud jste jej používali, pravděpodobně jste pro testování nových standardů kupovali nová zařízení, či úpravy stávajících analyzátorů.

 

 

V dnešní době většina analyzátorů VF signálů, jako jsou VF analyzátory NI PXI, používá digitální přístup. Digitální VF signálové analyzátory provádějí měření spektra výrazně rychleji, než starší spektrální analyzátory s přelaďováním. Přesunem větší části přístroje do digitální oblasti mohou pokroky v architektuře softwaru a výpočetní výkon rostoucí v souladu s Mooreovým zákonem významně zkrátit dobu testu a zvýšit flexibilitu.

 

Na rozdíl od tradičních spektrálních analyzátorů je rychlost měření u digitálních signálových analyzátorů obvykle omezena výkonem interních komponent, jako jsou bloky pro digitální zpracování signálu (digitální downconverter na FPGA), sběrnice pro přenos dat (PCI Express), výpočetní část (vícejádrové procesory), a algoritmy pro zpracování signálu (optimalizované pro vícejádrové procesory díky LabVIEW). Většina novějších spektrálních analyzátorů a PXI přístrojů má relativně podobnou architekturu, ale měli byste si všimnout několika klíčových rozdílů. Podobně jako PXI, většina tradičních přístrojů je založena na PC, až na to, že automatizace měření vyžaduje krok navíc, spočívající v přenosu výsledků do řídicího PC. Další unikátní vlastností PXI je, že uživatel si může zvolit procesor, který má na rychlost měření největší vliv. Proto můžete často navyšovat rychlost měření systému PXI jednoduše výměnou kontroléru. A několik VF PXI přístrojů nejnovější generace umožňuje zpracování signálu v uživatelsky programovatelném obvodu FPGA, takže můžete dále optimalizovat algoritmy pro výpočty s pevnou i s plovoucí desetinnou čárkou mezi FPGA a CPU.

 

 

Tyto dodatečné uživatelsky programovatelné (či alespoň uživatelsky přístupné) komponenty, včetně CPU, FPGA, datové sběrnice a algoritmů pro zpracování signálů, tvoří jádro nové architektury přístrojů pro mikrovlnná a VF měření.

 

 

Hodně času v rámci VF měření se stráví v hodinových cyklech CPU. Tyto výpočty jsou matematicky náročné, proto je pro měření veličin, jako jsou velikost chybového vektoru (EVM) či poměrný výkon pronikající do sousedního kanálu (ACLR), důležitý procesor s vysokým výkonem. Z tohoto důvodu může modulární přístup nejen k vlastnímu měřicímu vybavení, ale také k výpočetní části (PC), udržet výkon vašeho systému na špičkové úrovni o mnoho déle ve srovnání s přístrojem s fixní funkcionalitou a s procesorem odpovídajícím době nákupu přístroje. Pro VF měření se tak využívají naplno výsledky Mooreova zákona stejným způsobem, jakým jej zákazníci využívají už po desetiletí u jiných výpočetních úkolů.

 

 

 

 

Mnoho VF algoritmů se dobře hodí pro matematické výpočty prováděné v rámci datového toku přístroje. Digitální up-konverze a převzorkování představují jen několik příkladů operací, při jejichž řešení se stalo klíčové použití obvodů FPGA. Využitím FPGA bylo dosaženo zrychlení testů a tím snížení nákladů. Potřeby systému pro zpracování signálů se budou pravděpodobně v průběhu času vyvíjet hlavně díky použití nových standardů, a vylepšování algoritmů. Proto může dát schopnost modifikace kódu v FPGA uvnitř přístroje uživateli možnost držet tempo s vývojem, aniž by musel přistoupit k nákladné změně hardwaru. Přístup k FPGA je velice důležitý také pro transceivery, ve kterých může být potřebné rychlé rozhodování mezi příjmem signálu a vygenerováním odpovědi s velice nízkou latencí. Testovací zařízení, jako jsou RFID čipy, mohou významně zatížit tuto reakční dobu v uzavřené smyčce. Avšak přístup k FPGA jak při zpracování datového toku, tak při definici funkce přístroje, dává technikům mocný nástroj pro řešení.

 

To platí také pro systémy testující určitý protokol, které v rámci testu vyžadují asynchronní komunikaci pomocí sériového protokolu. Tím, že provedete implementaci protokolu do FPGA, můžete při programování dosáhnout dostatečně vysoké úrovně abstrakce, abyste se mohli soustředit na samotné informace, které jsou vysílány či přijímány, namísto věnování pozornosti nízkoúrovňovým detailům komunikace. To napomáhá mnohem modulárnější podobě kódu měřicích systémů a umožňuje jednoduchou záměnu protokolu v případě potřeby.

 

Aby byla tato funkce užitečná, nestačí prostě nabídnout uživateli možnost programování obvodu FPGA. Programovací jazyk musí být pro tvůrce VF testovacích systémů dostatečně přístupný a produktivní, což byla často bariéra u přístupu využívajícího jazyků VHDL či Verilog. Překlenutím této bariéry se sada nástrojů LabVIEW FPGA Module stala zcela zásadním prvkem pro pokrok v implementaci uživatelsky programovatelných obvodů FPGA ve VF systémech.

 

 

 

VF a mikrovlnná měření jsou obvykle spojena s datovými objemy v řádech stovek megabytů, gigabytů či dokonce terabytů při monitorování spektra. Proto musíte použít nejširší možnou šířku datového pásma a sběrnicovou technologii s nejnižší dostupnou latencí, aby se co největší možné množství dat přeneslo v souvislém toku. Sběrnice PCI Express s přenosovou rychlostí první, druhé či třetí generace představuje instrumentaci, která pomáhá přenášet datové soubory rychle a efektivně do paměti počítače či do diskového pole RAID pro následné zpracování. S tím, jak datové sběrnice, jako je PCI Express, nahrazují sběrnice GPIB či LAN, používané v tradičních přístrojích, získáváte přístup k většímu množství informací a tím také získáváte lepší náhled na výkonnost testované jednotky. Platforma PXI je od počátku v čele integrace sběrnice PCI Express s vysoce výkonnými VF měřeními.

 

 

 

 

LabVIEW pomáhá optimalizovat VF testovací systémy minimálně dvěma způsoby. Zaprvé, vysoce produktivní jazyk, který je LabVIEW vlastní, je optimalizovaný pro potřeby přenosu VF dat. Jeho schopnost pro reprezentaci paralelismu, pomáhá jazyku efektivně cílit na mikroprocesory i na FPGA způsobem, který pro jiné jazyky není možný. Zadruhé je LabVIEW nástrojem pro návrh systémů, který vám pomáhá spravovat a integrovat mnoho mikroprocesorů, obvodů FPGA, vstupně/výstupních bodů a IP modulů potřebných k sestavení kompletního VF systému. Často je vytvoření spojení mezi těmito prvky stejně složité, jako vývoj prvků samotných, a schopnost LabVIEW plnit tuto funkci na pozadí může ušetřit stovky či tisíce „člověkohodin“ potřebných k vývoji kódu. Tento nárůst produktivity je zásadní pro splnění požadavků moderních VF měřicích systémů v oblasti flexibility a času potřebného k uvedení na trh.

 

 

Vícejádrové procesory, uživatelsky programovatelné obvody FPGA, PCI Express a software LabVIEW pro návrh systémů jsou důležitými stavebními bloky moderního VF testovacího systému. Společnost National Instruments se snaží dát technikům z různých oborů možnost používat tyto prvky společně s analogovými, digitálními a VF hardwarovými komponentami PXI potřebnými pro měření. Následující příklady ukazují, jak je můžete nasadit v praxi.

 

 

 

Přenosové systémy s více vstupy a více výstupy (MIMO) jsou běžným způsobem pro navýšení přenosové kapacity pro jedno frekvenční pásmo a protokol. Klíčovým požadavkem v této situaci je fázově koherentní generování a sběr signálu. Tradiční přístroje používají několik oscilátorů fázově zamknutých ke společnému 10 MHz hodinovému signálu, což má za následek, že každá smyčka fázového závěsu (PLL) má na každém kanálu jiný fázový šum. Přístup s modulárním hardwarem překonává tento problém prostřednictvím lokálního oscilátoru, který je sdílen mezi několika moduly pro generování či sběr signálu, proto nabízí shodný fázový šum pro různé VF porty. Na obr. 7 je znázorněn rozdíl ve fázovém šumu při použití modulární architektury se sdíleným lokálním oscilátorem a při prostém sdílení referenčního hodinového signálu mezi několika přístroji.

 

 

Při programování systémů typu MIMO byste měli použít vysokoúrovňová programovací rozhraní a dobře navržená schémata pro synchronizaci programu tak, abyste minimalizovali potíže související s datovými toky přicházejícími z mnoha zdrojů. Nativní paralelismus prostředí LabVIEW představuje intuitivní způsob pro reprezentaci MIMO systémů a překonání těchto komplikací. Jak ovladače podle standardu IVI, tak ovladače typu NI-RFSA a NI-RFSG a ovladače NI-RIO pro uživatelsky programovatelné obvody FPGA pomáhají při abstrahování nízkoúrovňových detailů, které jsou nezbytné pro úspěch těchto systémů.

 

 

Pro testování moderních VF zařízení, jako jsou výkonové zesilovače (PA), musí VF přístroje (jak generátory, tak analyzátory) spolupracovat s řadou dalších zařízení, včetně digitálních generátorů, generátorů libovolného průběhu (AWG) a simulátorů baterií.

 

 

Musíte být schopni synchronizovat všechny tyto přístroje tak, abyste optimalizovali dobu testování těchto složitých zařízení napříč mnoha různými protokoly bezdrátové komunikace, které může PA podporovat. Typická testovací sekvence zahrnuje následující kroky:

 

 

Jak je vidět v diagramu, generátor AWG je použit pro vstup řídící zesílení vysílaného signálu. Vektorový signálový generátor (VSG) generuje budící signály, jež reprezentují každé z bezdrátových pásem podporovaných PA. Vektorový signálový analyzátor (VSA) měří amplitudu a fázi a analyzuje tak výkon, účinnost a modulaci. Simulátor baterie představuje zdroj napájení PA podobný baterii (krátké přechodové doby s vysokým proudem). Digitální generátor řídí testovanou jednotku s pomocí běžných digitálních protokolů, jako jsou SPI a I2C.

 

Moderní VF systém nabízí optimalizovaný přístup k tomuto rozsáhlému testovacímu systému variacemi v umístění algoritmů na uživatelsky programovatelných obvodech FPGA v každém přístroji, podporou paralelního zpracování na více procesorových jádrech, použitím sběrnice PCI Express pro přenos dlouhých průběhů na generátory či příjem velkých datových souborů z analyzátorů a použitím LabVIEW pro řízení všech modulů s kódem napříč různými programovacími rozhraními. Dochází tak k maximalizaci čitelnosti kódu a umožnění následné aktualizace přístrojů. Díky použití této sady přístrojů v jediné PXI skříni dokázali zákazníci, jako například Triquint, dramaticky zkrátit čas potřebný pro charakterizaci PA (viz tabulka 1).

 

 

Pro více informací kontaktujte:

 

National Instruments (Czech Republic), s.r.o.

Dělnická 12, 170 00 Praha 7, Česká republika.

Tel: (+420) 224 235 774

Fax: (+420) 224 235 749

Bezplatný tel. v ČR: 800 142 669

Bezplatný tel. v SR: 0800 182 362

Všeobecný e-mail: ni.czech@ni.com

czech.ni.com