Einführung in den PXI-Vektorsignal-Transceiver der dritten Generation PXIe-5842

NI hat 2012 das Konzept eines Vektorsignal-Transceivers (VST) eingeführt. Ein VST kombiniert einen RF-Signalgenerator, einen RF-Signalanalysator und einen leistungsstarken FPGA in einem einzigen PXI-Modul. Der PXIe-5842 VST ist der erste VST, der eine kontinuierliche Frequenzabdeckung von 50 MHz bis 23 GHz bietet. Er verdoppelt die verfügbare sofortige Bandbreite von Vorgängermodellen auf 2 GHz und bietet eine allgemeine RF-Leistungsverbesserung bei Schlüsselparametern wie Fehlervektor-Amplitude (EVM) und durchschnittlicher Rauschdichte.

Tabelle 1: Spezifikationen des PXIe-5842

Abbildung 1: PXIe-5842, PXI-Vektorsignal-Transceiver der dritten Generation

Daher dienen VSTs einer Vielzahl von RF-Entwurfs- und -Testanwendungen und eignen sich ideal für Anwendungen, die einen RF-Stimulus und eine RF-Antwort erfordern. Beispiele für Anwendungen sind drahtlose Produktionstests, RFIC-Charakterisierung, Kanalsondierung, Radarprototyping, Signalaufklärung und softwaredefinierte Funksysteme.

Das PXIe-5842 verfügt über einen leistungsstarken RF-Signalgenerator und RF-Signalanalysator. Beide Geräte verwenden eine direkte Umwandlung von IQ in RF und sind für eine hervorragende Messqualität optimiert. 

Technische Hauptmerkmale:

• Großer Frequenzbereich

• Große Momentanbandbreite 

• Optimiertes RF-Frontend

• Leistungsstarker lokaler Oszillator (LO)

• Modulare Architektur

Großer Frequenzbereich

Der PXIe-5842 ist der erste VST, der eine kontinuierliche Frequenzabdeckung von 50 MHz bis 23 GHz in einem Gerät bietet. Anwendungen und Standards von WLAN, Ultra-Wideband (UWB), Bluetooth, 5G NR und Funkprototyping können jetzt alle mit einem leistungsstarken und vielseitigen Gerät getestet werden. Durch die Kombination des hochmodernen Dual-Synthesizers (PXIe-5655) mit der Hochfrequenzabdeckung können Sie den PXIe-5842 für verschiedene Luft- und Raumfahrt- und Verteidigungsanwendungen (A/D/G) vom VHF- bis zum K-Band einsetzen. Zu den Anwendungen gehören die Simulation von Radarzielen, die Spektrumsüberwachung in der elektronischen Kriegsführung und der Satellitenkommunikation oder der parametrische Test von ESA-Komponenten (Electronically Scanned Arrays), die häufig in Radar- und Satellitenkommunikationssystemen verwendet werden.

Abbildung 2: Kommerzielle Anwendungen im Bereich RF-Spektrum und SATCOM-Verbreitung

Große Echtzeitbandbreite

Drahtlosstandards wie Wi-Fi oder 5G NR verwenden heute deutlich größere Bandbreitenkanäle, um höhere Spitzendatenraten zu erzielen. Der neueste Wi-Fi-Standard 802.11be definiert eine maximale Kanalbandbreite von 320 MHz. Der 5G-NR-Standard definiert in FR1 eine maximale Kanalbandbreite von 400 MHz. Diese Standards werden sich in den kommenden Jahren mit zunehmender Unterstützung für die Kanalbandbreite weiterentwickeln.

Darüber hinaus überschreiten die Bandbreitenanforderungen des Geräts oft die Bandbreite des drahtlosen Kommunikationskanals. Werden beispielsweise RF-Leistungsverstärker mit digitaler Vorverzerrung (DPD) getestet, muss das Prüfsystem zunächst ein Modell des Verstärkers extrahieren, dann das nichtlineare Verhalten ausgleichen und anschließend ein korrigiertes Signal ausgeben. Fortgeschrittene DPD-Algorithmen erfordern oft das Drei- bis Fünffache der RF-Signalbandbreite. Infolgedessen können die Bandbreitenanforderungen für Geräte bei 5G NR FR1 (400-MHz-Signal) bis zu 2 GHz und bei 802.11be (320-MHz-Signal) bis zu 1,6 GHz betragen.

Abbildung 3: DPD-Algorithmus mit 5-facher Signalbandbreite

Eine wesentliche Verbesserung des PXIe-5842-VST ist seine größere Momentanbandbreite von 2 GHz. Diese größere Bandbreite ermöglicht Ingenieuren, anspruchsvollere Anwendungen zu lösen. Bei Tests für 5G-NR-Geräte sind z. B. viele der 5G-Träger um mehrere hundert Megahertz voneinander getrennt. Dank der großen Bandbreite des PXIe-5842 können Ingenieure mit einem einzigen Gerät mehrere 5G-NR-Träger erzeugen oder analysieren, statt mehrere Geräte zu verwenden.

Tabelle 2: Entwicklung der Kanalbandbreite für drahtlose Standards

Darüber hinaus benötigen Breitbandradarsysteme oft eine Signalbandbreite von bis zu 2 GHz, um gepulste Signale genau zu erfassen. Bei Spektrumüberwachungssystemen kann die Bandbreite des Geräts außerdem die Scan-Rate erheblich verbessern. Schließlich ist eine große Signalbandbreite eine wesentliche Voraussetzung für viele fortgeschrittene Forschungsanwendungen.

Optimiertes RF-Frontend

Der PXIe-5842-Entwurf verfügt über drei unterschiedliche Basisbandpfade für Sender und Empfänger, die das RF-Frontend für die beste Leistung unter jeder Testbedingung optimieren:

1. Direkter RF-Sample-Pfad für Mittenfrequenzen unter 1,75 GHz. Dieser Pfad ermöglicht eine einfachere RF-Kette, wodurch Erzeugung und Erfassung ohne Beeinträchtigungen wie LO-Leckage und Residual-Seitenband-Bild möglich sind.

2. Low-IF-Basisbandpfad, optimiert für den hohen dynamischen Bereich für Signale mit einer sofortigen Bandbreite (IBW) bis 900 MHz. Auf diesem Pfad setzen der Signalgenerator und der Signalanalysator den LO auf eine Frequenz außerhalb des Bandes, was einen verbesserten Frequenzgang und eine bessere durchschnittliche Rauschdichte um 3 dBm/Hz ermöglicht.

3. Null-IF-Basisbandpfad, der für Signale mit großer Bandbreite mit einer IBW bis zu 2 GHz optimiert ist. 

    

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Abbildung 4: Vereinfachtes Blockdiagramm des PXIe-5842-Vektorsignal-Transceivers (VST)

Hochleistungs-LO

Der VST PXIe-5842 besteht aus dem Modul PXIe-5842 und dem leistungsstarken Dual-LO-Synthesizer PXIe-5655, der eine hervorragende Phasenrauschleistung aufweist.

Abbildung 5: PXIe-5842, VST, gemessenes RF-Eingangsphasenrauschen

Die drahtlosen Geräte der nächsten Generation haben noch strengere Anforderungen an die EVM-Leistung. Heutige RF-Frontends für drahtlose Geräte mit Modulationsverfahren höherer Ordnung und breitbandigen Mehrträgersignalkonfigurationen erfordern eine bessere Linearität und ein besseres Phasenrauschen, um die erforderliche Modulationsleistung zu erzielen. Folglich müssen die Geräte für die Prüfung drahtloser Geräte eine noch genauere RF-Leistung liefern. Im VST des PXIe-5842 kommen fortschrittliche, patentierte IQ-Kalibrierungstechniken zum Einsatz, um die branchenweit beste EVM-Leistung für Breitbandsignale zu erzielen. Bei einem PAPR-Signalverlauf mit 802.11be, 320 MHz, 4096-QAM, 12 dB erreicht das PXIe-5842 beispielsweise -49 dB EVM. Diese Leistung kann mithilfe der patentierten Kreuzkorrelationstechnik von NI, die über unsere RFIC Test Software verfügbar ist, weiter verbessert werden.

Abbildung 6: 802.11be-Prüfling mit PXIe-5842 und RFIC Test Software

Ein gutes Phasenrauschen ist einer der kritischsten Faktoren in einem modernen Radarsystem. Radarsysteme arbeiten, indem sie einen Impuls mit einer bestimmten Frequenz aussenden und dann die Frequenzverschiebung des zurückgesendeten Impulses messen, da die Verschiebung durch den Dopplereffekt mit der Geschwindigkeit des abzubildenden Objekts zusammenhängt. Ein schlechtes Phasenrauschen beeinträchtigt die Fähigkeit, die Doppler-Informationen zu verarbeiten. Mit einem typischen Phasenrauschen von -80 dBc/Hz bei 18 GHz und einem Offset von 100 Hz eignet sich das PXIe-5842 hervorragend für die Radarzielerfassung und -analyse.

Mit einer typischen LO-Abstimmungszeit von unter 230 µs kann das PXIe-5842 Anwendungen unterstützen, die ein Frequenzsprungverfahren mit niedriger Latenz erfordern, wie es in der Luft- und Raumfahrtindustrie sowie in der Verteidigungsindustrie üblich ist.

Modular und einfach synchronisierbar

Moderne Kommunikationsstandards verwenden eine anspruchsvolle Multi-Antennen-Technologie. In diesen Systemen bieten MIMO-Konfigurationen (Multiple Input Multiple Output) eine Kombination aus entweder höheren Datenraten durch mehr räumliche Ströme oder geringere Fehlerraten durch Beamforming. Aufgrund dieser MIMO-Vorteile werden drahtlose Technologien der nächsten Generation, wie 802.11be oder 5G NR, komplexere MIMO-Schemata mit bis zu 128 Antennen auf einem Gerät verwenden.

Es ist nicht überraschend, dass die MIMO-Technologie die Design- und Testkomplexität erheblich erhöht. Denn je mehr Schnittstellen ein Gerät hat, desto mehr Kanäle müssen synchronisiert werden. Zum Testen eines MIMO-Geräts müssen RF-Testgeräte in der Lage sein, mehrere RF-Signalgeneratoren und -analysatoren zu synchronisieren. Dabei spielen auch der Formfaktor und das Synchronisierungsverfahren des Messgeräts eine wichtige Rolle.

Abbildung 7: Ingenieure können bis zu vier PXIe-5842 in einem einzigen PXI-Chassis mit 18 Steckplätzen synchronisieren.

Dank der kompakten Abmessungen des VST der dritten Generation können Ingenieure bis zu vier VSTs in einem einzigen PXI-Chassis mit 18 Steckplätzen synchronisieren. Darüber hinaus können Ingenieure den VST vollständig phasenkohärent synchronisieren. In der Hardware kann jeder VST den LO importieren oder exportieren, so dass alle Module einen gemeinsamen LO nutzen können. Software-Ingenieure können die patentierte TClk Technologie von NI verwenden, um mehrere Messgeräte mithilfe der NI-TClk-API problemlos zu synchronisieren. Mithilfe dieser API können Ingenieure mehrere VSTs oder sogar VSTs mit anderen modularen Geräten in LabVIEW, C/C++ oder .NET synchronisieren.

Abbildung 8: Mit der NI-TClk-API können Entwickler den VST mit anderen PXI-Geräten synchronisieren.

Eines der einzigartigen Merkmale des VSTs ist seine hochgradig skalierbare Softwarearchitektur. Der VST wurde mit mehreren Softwareoptionen entworfen, die von einem Einstieg mit dem Soft-Frontpanel bis hin zu einer High-Level-Programmierschnittstelle reichen.

Die einfachste Softwareoption für den VST ist das Soft-Frontpanel-Erlebnis. Mit dem Soft-Frontpanel können Benutzer den RF-Signalgenerator oder -Analysator schnell und einfach konfigurieren, um Geräte zu debuggen und schnelle Messergebnisse zu erhalten. In Abbildung 9 bietet das Soft-Frontpanel Ingenieuren beispielsweise die Möglichkeit, den VST für die Messung der Leistung des benachbarten Kanals (ACP) zu konfigurieren.

Abbildung 9: Benutzer können den VST mithilfe der Soft-Frontpanels von RFmx für schnelle Messungen konfigurieren.

Abbildung 10: Messung der Kanalleistung in RFmx

Die zweite Software-Option verwendet NI RFmx, das eine intuitive Programmier-API bietet, die sowohl eine einfache Bedienung als auch eine erweiterte Messkonfiguration bietet. Ingenieure können mit einem von über 100 Beispielprogrammen in C, .NET und LabVIEW beginnen. Diese Beispiele sollen die Messgeräteautomatisierung vereinfachen. Abbildung 10 zeigt beispielsweise eine Kanalleistungsmessung anhand eines RFmx - LabVIEW -Beispiels, bei dem nur sieben Funktionsaufrufe verwendet werden.

RFFE-Validierung (Funkfrequenz-Frontend)

Ingenieure, die an RF-Frontends für Breitbandstandards wie 5G und Wi-Fi 6 arbeiten, müssen neue RF-Frontends über mehr Frequenzbänder, trägeraggregierte Szenarien und zunehmend komplexere Modulationsschemata validieren. In Märkten, in denen mehr Effizienz und Linearität erforderlich sind, müssen Ingenieure die Entwurfsleistung mit den neuesten DPD-Algorithmen (Digital Predistortion) und eng synchronisierten ET-Konfigurationen (Envelope Tracking) in 50-Ω-Umgebungen und Umgebungen mit anderen Impedanzen validieren.

Die RFFE-Validierungsreferenzarchitektur von NI führt alle vier wichtigen DPD-Operationen durch: Charakterisierung der Funktionsweise des Geräts, Modellextraktion, Modellinvertierung und Anwendung der Vorverzerrung auf Basisband-IQ-Samples. Mit der RFIC Test Software von NI können Kunden DPD-Modelle anwenden und die Funktionsweise der Geräte interaktiv überwachen. 

Die Hüllkurvenverfolgung (Envelope Tracking, ET) für Breitband-Leistungsverstärker basiert auf einem ET-Netzteil (ETPS), das die Gleichstromversorgung in Verbindung mit der Amplitude eines modulierten Funksignals dynamisch variiert. Die Hüllkurvenverfolgung hält eine PA so oft wie möglich nahe der Kompression – und verbessert so den Gesamtwirkungsgrad. Für ET-Tests verwandelt die NI RFFE-Validierungsreferenzarchitektur mehrere Geräte in eine einfach zu konfigurierende, einheitliche Messumgebung, welche die Steuerung und Synchronisation des VST, eines Generators für beliebige Schwingungen (AWG) mit hoher Bandbreite und eines Hochgeschwindigkeitsdigitalisierers vereinfacht.

Erfahren Sie mehr über die Lösungen von NI zur RFFE-Charakterisierung.

Abbildung 11: Typische Konfiguration für PA-Validierungstests unter DPD-Bedingungen

RFFE-Produktionstest

Kunden können PXI kann entweder als eigenständiges System oder als Teil des NI Semiconductor Test Systems (STS) für Fertigungstests von RFFE-Komponenten eingesetzt werden. Das STS kombiniert die NI-PXI-Plattform mit der geschwindigkeitsoptimierten Prüfsoftware von NI und ermöglicht so einen hohen Prüfdurchsatz in einem vollständig geschlossenen Prüfkopf, der für Produktionsumgebungen geeignet ist.

Abbildung 12: Verschiedene RFFE-Produktionstestlösungen

Das STS-Gehäuse umfasst alle wichtigen Komponenten eines Produktionsprüfgeräts, einschließlich der Prüfgeräte, der Schnittstelle für den Prüfling (DUT) und des Andockmechanismus für den Gerätehandler/die Sonde. Mit dem offenen, modularen STS-Design können Sie die Vorteile der neuesten nach Branchenstandard entwickelten PXI-Module für mehr Geräte und Rechenleistung nutzen, um die Gesamtkosten für den RFFE-Produktionstest zu senken.

Erfahren Sie mehr über die NI-Lösungen für RFFE-Produktionstests mit hohen Volumina.

Radarzielerzeugung für System-Level-Test

Wenn Subsysteme zu einem voll funktionsfähigen Radarsystem zusammengestellt werden, benötigen Ingenieure eine Testlösung auf Systemebene, um die End-to-End-Funktionalität sicherzustellen, sobald alle Subsysteme, einschließlich der Radarverarbeitungssoftware, integriert sind. Ein Test auf Radar-Systemebene erfordert, dass ein empfangener Zielimpuls von einem übertragenen Radarimpuls realistisch/in Echtzeit erzeugt wird. Diese realistische und Echtzeitanforderung ist schwierig, da sie eine geringe Latenz und einen geringen Determinismus impliziert. Beide Anforderungen sind in digitalen Systemen schwierig zu erfüllen, wenn Datenbusse und Betriebssysteme zwischen Empfangs- und Sendepfad des Testsatzes eingefügt werden. 

NI bietet Ingenieuren, die grundlegende Radarproduktions- und Funktionstests durchführen, Lösungen, die auf dem VST basieren. 

Abbildung 13: Grundlegende Komponenten des Radarsystems

Charakterisierung von elektronisch gescannten Arrays (ESA).

Das elektronisch gescannte Array (ESA) in seinen verschiedenen Formen, einschließlich des passiven elektronisch gescannten Arrays (PESA) und des aktiven elektronisch gescannten Arrays (AESA), ist die Grundlage moderner RF-Systeme in Radar- und Kommunikationsanwendungen. Mit dem Übergang zur ESA-Technologie hat die Anzahl der elektronischen Komponenten in einem Radarsystem im Laufe der Zeit exponentiell zugenommen. Ob für Radar oder Satellitenkommunikation, die Entwicklung eines ESA ist ein mehrstufiger Prozess, der vom Entwurf oder der Auswahl grundlegender Komponenten über die Integration und Validierung dieser Komponenten in funktionale Module und Unterbaugruppen bis hin zur Verifizierung auf Systemebene nach der Integration in das endgültige Array reicht. Jede Stufe besteht aus der wichtigsten Modellierung, Charakterisierung und letztlich Produktionstest, wobei die Bedeutung der Korrelation über den gesamten Lebenszyklus hinweg eine zentrale Anforderung ist.

NI bietet sowohl Hardware- als auch Software-Tools, die zum Testen der Elemente eines ESA-Systems benötigt werden. Erfahren Sie mehr über die Lösungen von NI für die Radarvalidierung und ESA-Charakterisierung.

Telemetrie- und Datenlink-Validierungssystem für die Satellitenkommunikation

Die jüngste Kommerzialisierung von Low-Earth-Orbit (LEO) und Medium-Earth-Orbit (MEO) hat zur Einführung moderner satellitenbasierter Anwendungen wie nicht-terrestrischer Netze (NTNs) und hochauflösender Fernerkundung und Bildgebung geführt. Die zur Unterstützung dieser neuen Dienste entwickelten Satellitenkonstellationen, Bodengeräte und Trägerraketen verfügen über neue Kommunikations- und Datenverbindungstechnologien, die wiederum neue Herausforderungen in den Bereichen Design, Systemvalidierung und Produktionstest mit sich bringen.

NI bietet eine breite Palette von Hardware- und Software-Validierungslösungen an, um Kunden bei der Entwicklung leistungsstarker Weltraumkommunikationssysteme zu unterstützen. Erfahren Sie mehr über die Lösung von NI für SATCOM-Telemetrie- und Datenlink-Validierungssysteme.

Die zunehmende Komplexität drahtloser Technologien hat zu einem Bedarf an leistungsfähigeren und vielseitigeren HF-Messgeräten geführt. Der PXIe-5842 ist der leistungsstärkste verfügbare PXI-VST und das einzige PXI-Produkt, das für das Testen aller modernen drahtlosen Standards wie Bluetooth, Wi-Fi, 5G NR oder UWB sowie der Satellitenkommunikation konfiguriert werden kann. Es bietet eine durchgängige Frequenzabdeckung im Bereich von VHF bis K-Radarbändern. Die kombinierte Erhöhung der Momentanbandbreite auf 2 GHz mit der verbesserten HF-Leistung stellt sicher, dass das PXIe-5842 selbst die schwierigsten Test- und Messherausforderungen meistern kann. Das PXIe-5842 nutzt die gleichen Software- Tools wie die VSTs der vorherigen Generation, was bedeutet, dass Kunden ein nahtloses Upgrade -Erlebnis haben und ihre vorherigen Anwendungen schnell auf das neue PXIe-5842 portieren können. 

• Erfahren Sie mehr über PXI-Vektor-Transceiver