PDFLes architectures des systèmes de test RF définies par logiciel sont devenues de plus en plus populaires depuis quelques dizaines d'années. Presque tous les systèmes de test RF automatique commercialisés utilisent désormais un logiciel d'application afin de communiquer vers l'instrument au travers d'un bus. Au fur et à mesure que les applications RF deviennent de plus en plus complexes, les ingénieurs sont régulièrement confrontés au dilemme de devoir augmenter les fonctionnalités sans pour autant augmenter les temps ni les coûts des tests. Même si les améliorations apportées aux algorithmes de mesure de test, aux vitesses des bus et aux vitesses du processeur ont réduit les temps de test, des améliorations supplémentaires sont encore nécessaires pour suivre la complexité croissante des applications de test RF.
Pour satisfaire les besoins en vitesse et en souplesse, les instruments de test RF standard ont augmenté leur utilisation de FPGA (field-programmable gate arrays). À un niveau supérieur, les FPGA sont des puces en silicium reprogrammables que vous pouvez configurer pour appliquer les fonctionnalités matérielles personnalisées via des environnements de développement logiciels. Même si les FPGA en instrumentation RF constituent déjà une avancée, ces FPGA conservent des personnalités figées conçues pour des besoins spécifiques et permettent très peu de personnalisation. C'est là où les FPGA programmables par l'utilisateur offrent un avantage considérable sur les FPGA aux personnalités figées et donc "fermées". Grâce aux FPGA programmables par l'utilisateur, vous pouvez personnaliser votre instrument RF de façon très précise de sorte qu'il soit ciblé de façon particulière en respectant les besoins de votre application.
Un VST (transcepteur de signaux vectoriel) est une nouvelle classe d'instrument qui combine un générateur de signaux vectoriel (VSG) et un analyseur de signaux vectoriel (VSA) avec le contrôle et le traitement de signaux temps réel basés FPGA. Le premier VST au monde proposé par National Instruments présente aussi un FPGA programmable par l'utilisateur, qui permet d'appliquer directement des algorithmes personnalisés dans la conception matérielle de l'instrument. Cette approche conçue par logiciel permet à un VST d'avoir la flexibilité d'une architecture radio définie par logiciel (SDR) avec les performances d'un instrument RF. La Figure n°1 (ci-dessous) illustre la différence entre les approches traditionnelles de l'instrumentation RF et une approche conçue par logiciel avec un VST.
Figure n°1. Comparer l'approche conçue par logiciel d'un VST avec les approches traditionnelles.
1. NI VST : construit à partir de LabVIEW FPGA et de l'architecture NI RIO
Le Module NI LabVIEW FPGA enrichit le logiciel de conception de systèmes LabVIEW pour cibler les FPGA sur le matériel NI RIO d'E/S reconfigurables, comme le NI VST. LabVIEW est particulièrement adapté à la programmation sur FPGA car il représente clairement le parallélisme et le flux de données. Cela permet aux utilisateurs, expérimentés ou pas en conception traditionnelle de FPGA, d'employer la puissance du matériel reconfigurable de façon productive. En tant que logiciel de conception de systèmes, LabVIEW est le seul à associer le traitement effectué sur un FPGA avec un microprocesseur (dans votre environnement informatique) sans qu'aucune connaissance approfondie des architectures informatiques ni de manipulation des données ne soit nécessaire. C'est primordial pour assembler des systèmes de test de communications modernes.
Le logiciel NI VST repose sur la puissance de l'architecture LabVIEW FPGA et NI RIO, et présente une multitude de points de départ pour votre application dont l'IP de l'application, les architectures de référence, les exemples de code et de projets LabVIEW. Ces points de départ présentent tous des personnalités LabVIEW FPGA par défaut ainsi que des bitfiles FPGA préconstruits afin de vous aider à démarrer le plus rapidement possible. Sans ces capacités prêtes-à-l'emploi, la productivité de LabVIEW, et l'architecture application/firmware bien conçue, la nature conçue par logiciel du VST pourraient poser problème à un grand nombre d'utilisateurs, tous niveaux confondus. Pourtant cela offre des niveaux inégalés de personnalisation à l'instrumentation haut de gamme.
2. Enrichir le test RF traditionnel
Les VST de NI combinent à la fois la vitesse des mesures et le facteur de forme réduit d'un boîtier de test en production associés à la souplesse et aux performances attendues des instruments sous forme de boîtiers. Cela donne au VST la capacité de tester des standards comme le 802.11ac avec une amplitude du vecteur d'erreur (EVM) supérieure à -45 dB (0,5 %) à 5,8 GHz. En outre, les voies d'émission, de réception, de données IQ en bande de base et les E/S numériques partagent toutes un FPGA commun programmable par l'utilisateur, rendant ainsi le VST nettement plus puissant que les instruments traditionnels sous forme de boîtiers.
La réduction des données est un exemple type, où la décimation, la division de canal, le moyennage et d'autres algorithmes personnalisés permettent au FPGA d'effectuer les tâches intenses du point de vue informatique. Cela diminue le temps de test tout en évitant de surexploiter la bande passante système en effectuant des transferts de données trop importants vers l'hôte pour traitement, et cela permet un moyennage accru, ce qui donne aux utilisateurs une confiance plus grande en leurs mesures. D'autres exemples d'algorithmes définis par l'utilisateur et basés FPGA incluent un déclenchement personnalisé, des moteurs FFT, une correction du bruit, un filtrage en ligne, des retards variables, un asservissement du niveau de puissance, etc.
Les instruments conçus par logiciel comme le VST contribuent aussi à faire le lien entre la conception et le test, permettant ainsi aux ingénieurs de test d'incorporer ou de valider des aspects de la conception avant qu'elle ne soit complète, tout en permettant aux ingénieurs de conception d'utiliser du matériel de la classe "instrument" afin de prototyper leurs algorithmes et d'évaluer leurs conceptions plus tôt dans le flux de conception.
Exemple : contrôle et séquencement de test d'unités (sous test) basées FPGA
Outre les données I/Q en bande de base du récepteur et du transmetteur RF, le VST PXI présente aussi des E/S numériques haute vitesse directement connectées au FPGA programmable par utilisateur. Cela permet aux utilisateurs de réduire de façon très importante les temps de test en appliquant des protocoles numériques personnalisés afin de contrôler l'unité sous test. Voir l'exemple fourni dans la Figure n°2 ci-dessous. De surcroît, le séquencement de test peut s'effectuer sur le FPGA, permettant ainsi à l'unité sous test de changer d'états et de séquencer à travers des tests en temps réel.
Figure n°2. La flexibilité des capacités d'E/S numériques d'un VST permet de contrôler l'état d'un transcepteur RF.
Exemple : Asservissement du niveau de puissance pour le test d'un amplificateur de puissance
Il est important pour les amplificateurs de puissance (PA) d'avoir une puissance de sortie attendue, même en dehors de leurs modes de fonctionnement linéaire. La boucle d'asservissement en puissance est utilisée pour déterminer le gain final. L'asservissement capture la sortie en puissance grâce à un analyseur et commande la génération jusqu'au niveau de puissance désiré, cela peut constituer une tâche trés lourde niveau temps de calcul. En d'autres termes, il utilise une boucle de contrôle proportionnelle pour osciller dans les niveaux de puissance jusqu'à ce que le niveau de la puissance de sortie corresponde à la puissance désirée. Un VST est idéal pour l'asservissement du niveau de puissance car le processus peut s'appliquer directement sur le FPGA programmable par l'utilisateur, donnant lieu à une convergence nettement plus rapide sur la valeur de puissance de sortie voulue (voir Figure n°3).
Figure n°3. L'utilisateur d'un VST pour un asservissement du niveau de puissance engendre une convergence nettement plus rapide au niveau de la puissance de sortie désirée pendant le test des amplificateurs de puissance.
3. Autres applications RF
Un VST est plus qu'un simple analyseur et générateur de signaux vectoriel incroyablement rapide et souple. Le récepteur RF, le transmetteur RF et le FPGA programmable par l'utilisateur permettent aussi à un VST d'aller au-delà du concept VSA/VSG traditionnel. Par exemple, le VST peut être complètement reconfiguré par l'utilisateur afin d'effectuer un traitement complexe pour d'autres applications RF comme le prototypage de nouveaux protocoles RF, la mise en œuvre d'une radio définie de façon logicielle, et l'émulation de canaux de transmission, entre autres.
Exemple : Émulateur de canaux de transmission radio pour les signaux RF MIMO
Ces dernières années, la technologie RF MIMO (multiple input, multiple output) a pris pas mal d'ampleur, particulièrement en ce concerne les standards cellulaires et sans fil. De surcroît, les schémas de modulation RF gagnent en complexité, la bande passante RF augmente et les spectres radio deviennent de plus en plus occupés. Face à ces avancées technologiques, il est important de ne pas seulement tester les appareils sans fil dans un environnement statique, mais aussi de comprendre de quelle façon ces matériels se comportent dans un environnement dynamique réel.
Un émulateur de canaux de transmission radio est un outil qui sert à tester la communication sans fil dans un environnement réel. Les modèles d'atténuation servent à simuler l'interférence de l'air, les réflexions, les utilisateurs mobiles et d'autres phénomènes naturels qui peuvent handicaper un signal RF dans un environnement radio physique. En programmant ces modèles d'atténuation mathématiques sur le FPGA, un VST met en place un émulateur de canaux de transmission radio temps réel. La Figure n°4 présente un émulateur de canaux de transmission radio MIMO 2x2 mis en œuvre en utilisant deux VST dans LabVIEW. Les paramètres des modèles d'atténuation sont présentés à gauche et au milieu de l'écran. Les signaux de sortie RF obtenus des modèles d'atténuation ont été acquis avec des analyseurs de spectre et sont affichés à droite. Ces graphes spectraux montrent clairement les zéros spectraux qui résultent des modèles d'atténuation.
Figure n°4. Un exemple de face-avant LabVIEW présente l'effet d'une émulation de canaux de transmission MIMO mis en œuvre en utilisant deux VST.
4. Plusieurs possibilités pour l'instrumentation conçue par logiciel
Le VST représente une nouvelle classe d'instrument conçu par logiciel, doté de capacités limitées uniquement par les exigences de l'application de l'utilisateur, et non plus par la définition de ce qu'un instrument devrait être selon le fournisseur. Au fur et à mesure que les unités sous test RF gagnent en complexité et que les exigences de la mise sur le marché posent de plus en plus de problème, ce niveau de fonctionnalités de l'instrument redonne le contrôle au concepteur RF et à l'ingénieur de test. Les exemples présentés dans ce document ne font qu'effleurer tout ce qu'un VST est capable de faire. Pour répondre à la question "Qu'est-ce qu'un transcepteur de signaux vectoriel ?", il faut d'abord répondre à "Quel problème de mesure et de contrôle RF avez-vous besoin de résoudre ?". Avec la souplesse d'un transmetteur RF précis, d'un récepteur RF et d'E/S numériques connectés à un FPGA programmable par l'utilisateur, le VST est plus que jamais à la hauteur du défi à relever. Vous pouvez en savoir plus sur le NI VST sur ni.com/vst/f.
