PXI-basiertes Testsystem für RF-Antennen

Timothy R. Brooks, NTS

"Durch Verbindung des RF-Signalanalysators mit LabVIEW und dem Modulation Toolkit haben wir die Erwartungen unseres Kunden in Bezug auf die Analyse weit übertroffen."

- Timothy R. Brooks, NTS

Die Aufgabe:

Entwicklung eines kosteneffizienten Systems für den mobilen Einsatz zur Erzeugung modulierter RF-Übertragungen zu bestimmten Zeiten über eine Vielzahl von Frequenzen, Leistungspegeln und Modulationstypen

Die Lösung:

Erzeugung von RF-Signalen mit einer Vielzahl von Parametern und deren Übertragung über verschiedene Signalpfade zu definierten Zeitpunkten mithilfe von LabVIEW, dem NI PXI-5671 zur flexiblen Signalerzeugung und dem NI PXI-5660 zur Signalanalyse und -verifizierung

Autor(en):

Timothy R. Brooks - NTS
Lance Butler - NTS

 

 

Unser Kunde benötigte ein System, mit dem er eine Reihe von RF-Signalen in einer stark kontrollierten und flexiblen Umgebung übertragen kann. Wir entschieden uns dafür, die Lösung auf der PXI-Plattform von National Instruments aufzubauen. Sie ermöglichte uns, Kosten und Größe zu minimieren sowie Leistungsvermögen und Flexibilität zu maximieren. Für diese Lösung waren drei Systeme erforderlich: ein mobiles System für den Außeneinsatz, ein statisches System als Haupttestsystem und ein Sicherungssystem bei möglichen Fehlfunktionen des statischen Systems.

 

Das Nutzdatensignal, das mithilfe einer separaten Anwendung erstellt wurde, kann mittels AM, FM, PM, PSK, FSK, MSK oder QAM moduliert werden. Wir benutzten Skripte, mit denen wir die Signale zu bestimmten Zeiten und mit einer bestimmten Dauer schicken konnten. Das Skriptdienstprogramm erlaubt dem Anwender praktisch jede Form der Schleifenbildung, darunter Iterations- oder zeitbasierte Schleifen, Frequenz-Stepping und Leistungsanpassung. Zudem unterstützt es mehrere Nutzdatensignale. Neben dem Nutzdatensignal wird bei jedem Schritt des Skripts auch ein Header-Signal übertragen, das einen GPS-Zeitstempel und weitere Parameter liefert.

 

Testablauf

Als Ausgangspunkt für einen Test führt der Anwender ein Programm zur Signalverlaufserstellung basierend auf NI LabVIEW aus, um das jeweilige Signal mithilfe von AM, FM, PM, PSK, FSK, MSK oder QAM zu modulieren. Diese Software kann auf jedem PC ausgeführt werden. Die fertigen Dateien werden anschließend auf das System übertragen.

 

Das System generiert dann ein Skript in der Hauptanwendung, um festzulegen, welche Signalverläufe auf welchen Frequenzen bei welchen Leistungspegeln abgespielt werden, und um das Timing zwischen jedem Schritt zu bestimmen. So kann beispielsweise ein typisches Skript einen Signalverlauf A (mit FSK moduliert) aufrufen, damit er auf Frequenzen von 10 bis 70 MHz in Abstufungen von 10 MHz mit einer Verzögerung von 30 Millisekunden zwischen den Übertragungen abgespielt wird. Jeder dieser Zyklen kann bei einer Leistung von 100 bis 500 W in Schritten von 100 Watt übertragen werden. Das gesamte Skript kann auch für einen Signalverlauf B (als PSK moduliert) wiederholt werden.

 

Daraufhin lässt der Anwender das Skript durch eine LabVIEW-Queue laufen, indem der Signalverlauf in den NI PXI-5671 geladen wird, und definiert einen Start-Trigger über die GPS-Karte. Auf die GPS-Karte werden die entsprechenden Zeiten für den Beginn einer jeden Übertragung geladen. Da für das Timing GPS genutzt wird, ist es möglich, sehr genaue Startzeiten der Übertragung zu erhalten.

 

Analyse und weitere Funktionen

Die Signalanalyse ist komplett in das System integriert, das den NI PXI-5660 nutzt, um eine schnelle Fourier-Transformation des übertragenen Signals in Pseudozeit bereitzustellen. Zwei Karten des Typs ZTEC ZT002 bieten Messungen der Übertragungs- und Reflexionsleistung. Diagnoseskripte definieren eine Grundkonfiguration des Systems, die das Stehwellenverhältnis (VSWR) von Leistung und Spannung bei verschiedenen Frequenzen misst. Es findet eine regelmäßige Systemüberprüfung statt und ein Vergleich mit der Grundkonfiguration, um sicherzustellen, dass alle Systemkomponenten richtig arbeiten. Die Ausgangsleistung wird über den gesamten Frequenzbereich über einen Leistungskalibriermodus korrigiert.

 

Für eine Übertragung wählt die Software eine von zwölf Antennen je nach Frequenz aus. RF-Relais sorgen für das Umschalten zwischen Antennen, was durch das Digital-I/O-Modul NI PXI-6527 gesteuert wird. Das NI PXI-2565 schaltet den Signalpfad für Grundkonfigurations- und Kalibriermodi auf eine Ersatzlast.

 

Mithilfe einer Bildschirmanzeige mit manuellem Modus bedient der Anwender jedes der Messgeräte einzeln, um die verschiedenen Aspekte des Systems in einem Entwicklungsmodus zu testen. Diese Funktion ist zusammen mit der Signaldiagnostik und dem Netzwerkzugriff durch Windows XP Remote Desktop möglich, so dass der Anwender das System auch ohne Probleme aus der Ferne bedienen kann. Mithilfe eines Planungsprogramms kann er Skripte so planen, dass diese zu einem bestimmten Zeitpunkt ausgeführt werden und das System somit unbeaufsichtigt laufen kann. Auf diese Weise können Anwender dezentral eingreifen und alle erforderlichen Einstellungen, die für unbeaufsichtigte, über mehrere Monate laufende Tests gelten sollen, festlegen.

 

Systemsicherheit und Anwenderüberwachung werden in zwei Schichten bereitgestellt. Gängige Sicherheitsmaßnahmen wie eine Firewall für die Internetnutzung und Windows-XP-Benutzerkonten sind die erste Schicht. Ein Zugangssystem in LabVIEW, für das sich der Anwender separat im LabVIEW-System anmelden muss, bildet die zweite Schicht. Drei Ebenen von Benutzerrechten bieten unterschiedliche Funktionen für unterschiedliche Anwender. Das System meldet einen Anwender ab, wenn über einen gewissen Zeitraum keine Eingaben erfolgen, lässt aber die Ausführung von Skripten weiterhin zu.

 

Da das System als ablaufkritisch angesehen wird, sind auch eine Notstromversorgung und ein Backup-System enthalten. Das System wechselt automatisch zwischen Reservestromquellen, darunter Solarstrom, Batterie und Generator, ohne dass dabei die Stromversorgung unterbrochen wird. Beim Sicherungssystem handelt es sich um ein identisches PXI-System, zu dem der Anwender einfach durch Austausch der Antennenkabel zwischen den Racks wechseln kann, falls es beim primären System zu Problemen kommt.

 

Die PXI-RF-Plattform

Für den ursprünglichen Entwurf dieses Systems wurde eine Stand-alone-Lösung von Agilent anstatt der PXI-Plattform von NI verwendet. Der Wechsel zu PXI führte dazu, dass die tragbare Version von der Größe eines Containers auf die eines Kastens verkleinert werden konnte, der als Fluggepäck eingecheckt werden kann. Die Kosteneinsparungen (nach Verkauf der Agilent-Ausrüstung) reichten aus, um mit dem verbleibenden Geld ein drittes System komplett zu bezahlen. Zudem konnten wir mit PXI ein viel anspruchsvolleres Scripting nutzen, indem der Signalgenerator von der GPS-Karte aus gesteuert wurde. Das war ein erheblicher Leistungsvorteil.

 

Dank der PXI-Plattform und der RF-Messgeräte, die National Instruments anbietet, konnten wir ein System entwerfen und implementieren, das noch vor ein paar Jahren gar nicht umsetzbar war. Aufgrund des offenen Standards des PXI-Busses war es uns möglich, Ergänzungen verschiedenster Anbieter einzubinden, um Funktionsanforderungen wie GPS-Zeitsynchronisation und einfache RF-Leistungsmessungen zu erfüllen.

 

Flexibilität und Leistung von LabVIEW verbunden mit PXI

Ein besonders treffendes Beispiel für die Vorteile von LabVIEW und PXI zeigte sich während der Systementwicklung, als wir die Signale, die wir verschickten, verifizieren mussten. Für die Demodulierung und Analyse unseres Signals war keine Hardware vorgesehen. Unser Kunde war der Meinung, dass RFSA für RF Spectrum Analyzer stünde und wir einen solchen als Ersatz für einen alten Stand-alone-Spektrumanalysator von Agilent verwendet hätten. Wir wiesen ihn darauf hin, dass RFSA hier RF Signal Analyzer bedeutet und für einen Signalanalysator von National Instruments steht, der viel mehr Möglichkeiten bietet als ein Spektrumanalysator.

 

Als wir den NI-PXI-RFSA einsetzten, um ein Signal lediglich durch Schreiben eines einfachen LabVIEW-Programms mithilfe des NI Modulation Toolkit zu demodulieren und dekodieren, war unser Kunde angenehm überrascht. Nicht nur, dass der PXI-RFSA viel kleiner und günstiger war als die alte, durch ihn ersetzte Agilent-Einheit, zudem war er auch ein viel flexibleres Messgerät. Durch Verbindung des RF-Signalanalysators mit LabVIEW und dem Modulation Toolkit haben wir die Erwartungen unseres Kunden in Bezug auf die Analyse weit übertroffen.

 

Informationen zum Autor:

Timothy R. Brooks
NTS
5200 Pasadena Avenue NE
Albuquerque, NM 87113
United States
Tel: (505) 345-9499
tim.brooks@ntscorp.com

Figure 1. The PXI chassis packaged with other RF components in a shippable container.