Introduction au transcepteur de signaux vectoriels de troisième génération PXIe-5842

NI a introduit le concept de transcepteur de signaux vectoriels (VST) en 2012. Un VST combine un générateur et un analyseur de signaux RF, ainsi qu’un FPGA puissant sur un seul module PXI. Le PXIe-5842 est le premier VST à offrir une couverture de fréquence continue de 50 MHz à 23 GHz. Il double la bande passante instantanée disponible des modèles précédents en la portant à 2 GHz et améliore les performances RF globales sur des paramètres clés tels que l’amplitude du vecteur d’erreur (EVM) et la densité de bruit moyenne.

Tableau 1 : Spécifications du PXIe-5842

Figure 1 : Le transcepteur de signaux vectoriels de troisième génération PXIe-5842

Par conséquent, les VST desservent un large éventail d’applications de conception et de test RF et conviennent parfaitement aux applications qui nécessitent un stimulus RF et une réponse RF. Parmi les exemples d’applications, citons le test en production sans fil, la caractérisation RFIC, le sondage de voies, le prototypage de radars, le renseignement d’origine électromagnétique et la radio logicielle.

Le PXIe-5842 comprend un générateur et un analyseur de signaux RF hautes performances. Les deux instruments utilisent une conversion directe d’IQ à RF et sont optimisés pour une excellente qualité de mesure. 

Principales caractéristiques techniques :

• Large gamme de fréquences

• Large bande passante instantanée 

• Frontal RF optimisé

• Oscillateur local (LO) hautes performances

• Architecture modulaire

Large gamme de fréquences

Le PXIe-5842 est le premier VST à offrir une couverture de fréquence continue de 50 MHz à 23 GHz dans un seul instrument. Des applications et des normes telles que WLAN, UWB (Ultra-Wideband), Bluetooth, 5G NR et le prototypage radio peuvent désormais être testées avec un seul instrument performant et polyvalent. La combinaison du double synthétiseur de pointe (PXIe-5655) avec la couverture haute fréquence vous permet d’utiliser le PXIe-5842 pour diverses applications dans le secteur aérospatial et défense (A/D/G) de la bande VHF à la bande K. Les applications incluent la simulation de cibles radar, la surveillance du spectre dans les systèmes de guerre électronique et de communication par satellite, ou encore le test paramétrique des composants ESA (Electronically Scanned Arrays) couramment utilisés dans les systèmes de communication radar et par satellite.

Figure 2 : Applications commerciales couvrant le spectre RF et la multiplication des SATCOM

Large bande passante instantanée

Les normes sans fil actuelles, telles que Wi-Fi ou 5G NR, utilisent des voies à bande passante nettement plus larges pour atteindre des débits de données de pointe plus élevés. La toute dernière norme Wi-Fi 802.11be définit une bande passante maximale de 320 MHz. La norme 5G NR définit une bande passante maximale de 400 MHz dans le FR1. Ces normes continueront d’évoluer et prendront en charge une plus large bande passante dans les années à venir.

De plus, les exigences en matière de bande passante de l’instrument dépassent souvent la bande passante de la voie de communication sans fil. Par exemple, lorsque vous testez des amplificateurs de puissance RF (PA) dans des conditions de prédistorsion numérique (DPD), l’équipement de test doit lui-même extraire un modèle PA, corriger le comportement non linéaire, puis générer un signal corrigé. Les algorithmes DPD avancés nécessitent souvent une bande passante trois à cinq fois supérieure à celle du signal RF. Par conséquent, les exigences en matière de bande passante des instruments peuvent atteindre 2 GHz pour 5G NR FR1 (signal de 400 MHz) et 1,6 GHz pour 802.11be (signal de 320 MHz).

Figure 3 : Algorithme DPD utilisant une bande passante de signal 5X

La bande passante instantanée plus large de 2 GHz constitue une amélioration importante du VST PXIe-5842. Cette bande passante plus large permet aux ingénieurs de satisfaire aux exigences d’applications plus complexes. Par exemple, lors des tests de périphériques 5G NR, de nombreuses porteuses 5G sont séparées par plusieurs centaines de mégahertz. Grâce à la large bande passante du PXIe-5842, les ingénieurs peuvent utiliser un seul instrument pour générer ou analyser plusieurs porteuses 5G NR.

Tableau 2 : Évolution de la bande passante pour les normes sans fil

De plus, les systèmes radar à large bande nécessitent souvent une bande passante pouvant atteindre 2 GHz pour capturer avec précision les signaux pulsés. De plus, dans les systèmes de surveillance du spectre, la bande passante de l’instrument peut améliorer considérablement la vitesse de balayage. Enfin, une large bande passante de signal est essentielle pour de nombreuses applications de recherche avancées.

Frontal RF optimisé

La conception du PXIe-5842 comporte trois chemins de bande de base récepteur/émetteur distincts qui optimisent le frontal RF pour de meilleures performances dans chaque condition de test :

1. Chemin d’échantillonnage RF direct pour les fréquences centrales inférieures à 1,75 GHz. Ce chemin permet de simplifier la chaîne RF, ce qui permet de générer et d’acquérir des signaux sans perturbations telles que les fuites LO et l’image de bande latérale résiduelle.

2. Chemin de bande de base à faible IF optimisé pour une gamme dynamique élevée de signaux à bande passante instantanée (IBW) pouvant atteindre 900 MHz. Sur ce chemin, le générateur et l’analyseur de signaux décalent le LO vers une fréquence hors bande, ce qui permet d’améliorer la réponse en fréquence et la densité de bruit moyenne de 3 dBm/Hz.

3. Chemin de bande de base à IF nulle, optimisé pour les signaux à large bande passante avec une IBW pouvant atteindre 2 GHz. 

    

4. 
   

Figure 4 : Diagramme simplifié du transcepteur de signaux vectoriels (VST) PXIe-5842

LO hautes performances

Le VST PXIe-5842 est composé du module PXIe-5842 et du synthétiseur double LO hautes performances, le PXIe-5655, qui présente d’excellentes performances en matière de bruit de phase.

Figure 5 : Bruit de phase en entrée RF mesuré du VST PXIe-5842

Les périphériques sans fil de nouvelle génération sont soumis à des exigences encore plus strictes en matière de performances EVM. Avec des schémas de modulation d’ordre supérieur et des configurations de signaux multiporteurs à large bande, les frontaux RF des périphériques sans fil actuels nécessitent une meilleure linéarité et un meilleur bruit de phase pour offrir les performances de modulation requises. Par conséquent, l’instrumentation de test des périphériques sans fil doit offrir des performances RF encore plus précises. Le VST PXIe-5842 utilise des techniques d’étalonnage I/Q avancées et brevetées pour fournir les meilleures performances EVM aux signaux à large bande. Par exemple, pour un signal PAPR 12 dB, 802.11be, 320 MHz, 4096-QAM, le PXIe-5842 atteint un EVM de -49 dB. Ces performances peuvent être encore améliorées en utilisant la technique de corrélation croisée brevetée de NI, disponible via notre RFIC Test Software.

Figure 6 : Périphérique 802.11be sous test avec PXIe-5842 et RFIC Test Software

Un bon bruit de phase est l’un des facteurs les plus critiques d’un système radar moderne. Les systèmes radar fonctionnent en émettant une impulsion à une fréquence donnée, puis en mesurant le décalage de fréquence de l’impulsion renvoyée. Ce décalage est lié à la vitesse de l’objet imagé par l’effet Doppler. De mauvaises performances en matière de bruit de phase compromettent la capacité à traiter les informations Doppler. Le PXIe-5842 présente un bruit de phase typique de -80 dBc/Hz à 18 GHz et un décalage de 100 Hz. Il est donc idéal pour la génération et l’analyse de cibles radar.

Avec un temps de réglage LO typique inférieur à 230 μs, le PXIe-5842 peut prendre en charge les applications qui nécessitent des sauts de fréquence à faible latence, ce qui est courant dans les industries de l’aérospatiale et de la défense.

Modulaire et facile à synchroniser

Les normes de communication modernes s’appuient sur une technologie multi-antennes sophistiquée. Dans ces systèmes, les configurations MIMO (Multiple-Input Multiple-Output) permettent d’obtenir soit des débits de données plus élevés grâce à un plus grand nombre de flux spatiaux, soit des communications plus robustes grâce à la formation de faisceaux. En raison de ces avantages MIMO, les technologies sans fil de la prochaine génération, telles que 802.11be ou 5G NR, utiliseront des schémas MIMO plus complexes avec jusqu’à 128 antennes sur un seul périphérique.

Il n’est pas surprenant que la technologie MIMO augmente considérablement la complexité de la conception et des tests. Cela augmente non seulement le nombre de ports sur un périphérique, mais introduit également des exigences de synchronisation multivoies. Pour tester un périphérique MIMO, l’équipement de test RF doit pouvoir synchroniser plusieurs générateurs et analyseurs de signaux RF. Dans ces configurations, le facteur de forme de l’instrument et le mécanisme de synchronisation sont critiques.

Figure 7 : Les ingénieurs peuvent synchroniser jusqu’à quatre PXIe-5842 dans un seul châssis PXI à 18 emplacements.

La surface d’encombrement compacte du VST de troisième génération permet aux ingénieurs de synchroniser jusqu’à quatre VST dans un seul châssis PXI à 18 emplacements. De plus, les ingénieurs peuvent synchroniser le VST d’une manière totalement cohérente en phase. Au niveau matériel, chaque VST peut importer ou exporter le LO pour que tous les modules puissent partager un LO commun. Au niveau logiciel, les ingénieurs peuvent utiliser la technologie brevetée NI-TClk pour synchroniser facilement plusieurs instruments à l’aide de l’API NI-TClk. Grâce à cette API, les ingénieurs peuvent synchroniser plusieurs VST ou même synchroniser des VST avec d’autres instruments modulaires, que ce soit dans LabVIEW, C/C++ ou .NET.

Figure 8 : Grâce à l’API NI-TClk, les ingénieurs peuvent synchroniser le VST avec d’autres instruments PXI.

L’une des principales caractéristiques du VST est son architecture logicielle hautement évolutive. Le VST est conçu avec plusieurs options logicielles qui vont de l’initiation à la face-avant logicielle à une API de programmation de haut niveau.

L’option logicielle la plus simple pour le VST est l’initiation à la face-avant logicielle. La face-avant logicielle permet aux utilisateurs de configurer rapidement et aisément le générateur ou l’analyseur de signaux RF pour mettre au point et obtenir des résultats de mesure rapides. Par exemple, sur la figure 9, la face-avant logicielle permet aux ingénieurs de configurer le VST pour une mesure de puissance de voie adjacente (ACP).

Figure 9 : Les utilisateurs peuvent configurer le VST pour des mesures rapides en utilisant les faces-avant logicielles RFmx.

Figure 10 : Mesure de puissance de voie dans RFmx

La deuxième option logicielle utilise NI RFmx, qui fournit une API de programmation intuitive qui offre à la fois une facilité d’utilisation et une configuration de mesure avancée. Les ingénieurs peuvent commencer à utiliser l’un des exemples de programmes (plus de 100) en C, .NET et LabVIEW. Ces exemples visent à simplifier l’automatisation des instruments. Par exemple, la figure 10 illustre une mesure de puissance de voie à l’aide d’un exemple RFmx LabVIEW qui n’utilise que sept appels de fonction.

Validation RFFE (Radio Frequency Front-End)

Les ingénieurs travaillant sur les frontaux RF dédiés aux normes à bande large, comme la 5G et le Wi-Fi 6 doivent valider les nouveaux périphériques frontaux RF sur d’autres bandes de fréquences, scénarios de porteuses regroupées et schémas de modulation de plus en plus complexes. Les marchés exigeant plus d’efficacité et de linéarité, les ingénieurs doivent valider les performances de conception en fonction des derniers algorithmes de pré-distorsion numérique (DPD) et des configurations de suivi d’enveloppe (ET) étroitement synchronisées dans des environnements à 50 Ω ou autre.

L’architecture de référence de validation RFFE de NI effectue les quatre opérations DPD clés : caractérisation du comportement du périphérique, extraction du modèle, inversion du modèle et application de la prédistorsion aux échantillons IQ en bande de base. Le RFIC Test Software de NI permet aux clients d’appliquer des modèles DPD et d’observer le comportement du périphérique de manière interactive. 

Le suivi d’enveloppe (ET) pour les amplificateurs de puissance à large bande s’appuie sur une ETPS (ET Power Supply) pour faire varier dynamiquement l’alimentation en courant continu en fonction de l’amplitude d’un signal sans fil modulé. Le suivi d’enveloppe maintient un PA proche de la compression aussi souvent que possible, améliorant ainsi l’efficacité globale. Pour les tests ET, l’architecture de référence de validation NI RFFE transforme plusieurs instruments en une expérience de mesure unifiée et facile à configurer qui simplifie le contrôle et la synchronisation du VST, d’un générateur de signaux arbitraires (AWG) à large bande passante et d’un numériseur haute vitesse.

En savoir plus sur les solutions NI pour la caractérisation RFFE.

Figure 11 : Configuration typique pour les tests de validation PA dans des conditions DPD

Test en production de RFFE

Les clients peuvent déployer PXI pour le test de fabrication des composants RFFE, soit en tant que système autonome, soit en tant qu’élément du système de test de semi-conducteurs (STS) de NI. Le STS combine la plate-forme PXI de NI avec le logiciel de test à vitesse optimisée de NI pour une cadence de test élevée dans une tête de test entièrement fermée adaptée aux environnements de production.

Figure 12 : Différentes solutions de test en production RFFE

Le boîtier STS abrite tous les composants clés d’un testeur de production, y compris les instruments de test, l’interface avec le DUT (Device Under Test) et le mécanisme d’ancrage du gestionnaire de périphérique/prober. Grâce à la conception ouverte et modulaire du STS, vous pouvez tirer parti des derniers modules PXI standard de l’industrie pour obtenir davantage d’instruments et de puissance de calcul afin de réduire le coût global du test en production RFFE.

En savoir plus sur les solutions NI pour les tests en production RFFE en grand volume.

Génération de cibles radar pour le test au niveau du système

Lorsque les sous-systèmes sont assemblés en un système radar entièrement fonctionnel, les ingénieurs ont besoin d’une solution de test au niveau du système pour garantir une fonctionnalité de bout en bout une fois tous les sous-systèmes intégrés, y compris le logiciel de traitement radar. Le test au niveau du système radar exige qu’une impulsion cible reçue soit générée à partir d’une impulsion radar émise de manière réaliste/en temps réel. Cette exigence réaliste et en temps réel est difficile à satisfaire car elle implique une faible latence et le déterminisme. Ces deux exigences sont difficiles à satisfaire pour les systèmes numériques lorsque des bus de données et des systèmes d’exploitation sont insérés entre les chemins de réception et d’émission de l’ensemble de test. 

NI propose des solutions construites autour du VST aux ingénieurs effectuant des tests fonctionnels et de production de radars de base. 

Figure 13 : Composants de base du système radar

Caractérisation des matrices à balayage électronique (ESA)

La matrice à balayage électronique (ESA) sous ses différentes formes, y compris la matrice passive à balayage électronique (PESA) et la matrice active à balayage électronique (AESA), constitue la base des systèmes RF modernes dans les applications radar et de communication. En raison du passage à la technologie ESA, le nombre de composants électroniques dans un système radar a augmenté de façon exponentielle au fil du temps. Que ce soit pour les communications radar ou par satellite, le développement d’une ESA est un processus en plusieurs étapes allant de la conception ou de la sélection des composants fondamentaux, de l’intégration et de la validation de ces derniers dans des modules et sous-ensembles fonctionnels, et enfin de la vérification au niveau du système après intégration dans la matrice finale. Chaque étape comprend une modélisation clé, une caractérisation et un test en production, la corrélation tout au long du cycle de vie étant une exigence clé.

NI fournit les outils matériels et logiciels nécessaires pour tester les éléments d’un système ESA. En savoir plus sur les solutions NI pour la validation des radars et la caractérisation ESA..

Système de validation de télémétrie et de liaison de données SATCOM

La récente commercialisation de l’orbite terrestre basse (LEO) et de l’orbite terrestre moyenne (MEO) a conduit à l’introduction d’applications satellitaires modernes telles que les réseaux non terrestres (NTN) et la télédétection et l’imagerie haute résolution. Les constellations de satellites, les équipements au sol et les lanceurs développés pour prendre en charge ces nouveaux services sont dotés de nouvelles technologies de communication et de liaison de données qui posent de nouveaux défis en matière de conception, de validation des systèmes et de test en production.

NI propose une large gamme de solutions de validation matérielle et logicielle pour aider les clients à développer des systèmes de communication spatiale hautes performances. En savoir plus sur la solution NI pour les systèmes de validation de télémétrie et de liaison de données SATCOM..

En raison de la complexité accrue des technologies sans fil, il est nécessaire de disposer d’une instrumentation RF plus performante et plus polyvalente. Le PXIe-5842 est le VST PXI le plus performant disponible et le seul produit PXI pouvant être configuré pour tester toutes les normes sans fil modernes telles que Bluetooth, Wi-Fi, 5G NR ou UWB, ainsi que les communications par satellite. Il fournit une couverture de fréquences contiguës allant des bandes VHF aux bandes radar K. Grâce à l’augmentation de la bande passante instantanée jusqu’à 2 GHz et à l’amélioration des performances RF, le PXIe-5842 sera en mesure de relever les défis les plus difficiles en matière de test et de mesure. Le PXIe-5842 partage les mêmes outils logiciels courants que la génération précédente de VST. Les clients profiteront donc d’une mise à niveau transparente et pourront rapidement transférer leurs anciennes applications sur le nouveau PXIe-5842. 

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