L'instrumentation Modulaire Relève Le Défi Du Test Rf

Le 01/02/2013 à 14:00  

L'essentiel

Les tests radiofréquences doivent relever différents défis commerciaux et technologiques.

Les équipements de test sont tenus de s'adapter à une large palette de produits des plus simples au plus complexes.

Les standards de communication RF évoluent sans cesse.

L'instrumentation modulaire et les éléments associés permettent selon National Instruments de répondre à ces exigences.

Les signaux radiofréquences sont exploités dans des systèmes de communication des plus complexes tels que les téléphones mobiles jusqu'aux produits de la vie courante les plus simples dont il faut s'assurer du bon fonctionnement. C'est le cas par exemple pour la vérification de lecture/écriture de certains tags RFID, du contrôle du fonctionnement de télécommandes radio basiques (pour les jouets par exemple ou les appareils électroménagers), ou encore du test d'interrupteurs sans fil. Si ces dispositifs n'intègrent pas de technologies de communication des plus complexes, il ne reste pas moins que pour les déboguer les ingénieurs doivent pouvoir capturer des signaux analogiques, numériques et radiofréquences. Mais intégrer des mesures radiofréquences (RF) à un système de test se révèle généralement bien plus compliqué que pour tout autre type de mesure.

Sans parler des aspects théoriques concernant les mesures hautes fréquences, assez laborieuses à appréhender,pour mettre en œuvre des mesures RF, il faut faire face à plusieurs problématiques. Premièrement, l'instrumentation RF ou HF (hyperfréquences) peut facilement devenir la partie la plus coûteuse de n'importe quel système de test, et le temps passé à développer une telle application augmente considérablement si l'équipement n'est pas optimisé. Deuxièmement, des standards télécoms en perpétuelle évolution, comme le LTE, le WLAN (Wi-Fi), le GSM/EDGE, le WCDM/ HSPA+, etc. imposent un processus d'apprentissage permanent. Et comme il y a toujours plus de standards qui apparaissent que de standards qui disparaissent, les temps nécessaires à leur test ne cessent d'augmenter. Face à cette profusion de standards, qui peuvent d'ailleurs cohabiter, l'instrumentation traditionnelle révèle ses limites, car elle associe communément un appareil à un protocole, ou en tout cas à un nombre limité de protocoles. Ce qui induit des discontinuités même dans l'architecture de système la mieux conçue.

L'offre d'instruments RF au format PXI s'est étoffée ces dernières années. L'instrumentation modulaire RF de nouvelle génération permet d'affecter un ou des circuits FPGA à l'exécution de certains algorithmes, de répartir les traitements sur des processeurs multicœurs, de transmettre via le bus PCI Express de grands volumes de données…

Tout cela se traduit par un besoin manifeste d'ouverture au niveau logiciel, et de modularité au niveau du matériel de mesure RF et HF. C'est pourquoi National Instruments propose un concept d'instrumentation RF, associant son logiciel de conception de systèmes NI LabVIEW et des instruments modulaires au standard PXI, tout en exploitant des processeurs multicœurs, des circuits programmables FPGA et le bus PCI Express. Le tout pour apporter souplesse et évolutivité aux applications de test et mesure hautes fréquences.

Analyse spectrale

Prenons comme exemple l'analyseur de spectre traditionnel. Quelle que soit la bande de fréquences couverte par l'appareil,les analyseurs de spectres reposent sur le même principe hétérodyne avec plus ou moins de sophistications selon les caractéristiques et les performances de l'appareil. Le signal d'entrée, après mise à niveau (atténuation ou préamplification), interagit avec un oscillateur local qui le transpose dans une fréquence dite fréquence intermédiaire (FI). En choisissant une valeur FI fixe (définie par le centre d'un filtre passe bande) et en faisant varier la fréquence de l'oscillateur local, l'instrument balaie l'ensemble de la plage de fréquences spécifiées par l'utilisateur (et par les limites de l'appareil). La finesse d'analyse est déterminée par la largeur de bande du filtre FI et par le traitement qui est effectué. Le principe théorique est simple. Mais dans la pratique la transposition s'effectue en plusieurs passes en fonction de la gamme de fréquences et de certains autres paramètres dont il faut tenir compte.Le signal subit une multitude d'opérations de préamplification, amplification, décalage, multiplication, filtrage…

Les instruments modulaires peuvent généralement disposer d'un oscillateur local commun contrairement à l'approche traditionnelle mettant en œuvre plusieurs instruments RF dont la boucle par verrouillage de phase partage la même horloge. Ce qui réduit les déphasages.

Dans l'architecture traditionnelle de l'analyseur de spectre (en haut), les composants analogiques sont figés et les vitesses de mesures déterminées par la vitesse de balayage de l'oscillateur local. Aujourd'hui, la plupart des analyseurs de signaux RF, tels que ceux proposés au format PXI, sont basés sur une approche numérique. Ce qui accélère les mesures spectrales en comparaison à celles réalisées par des instruments basés sur le principe de l'analyse de spectre à balayage. Les instruments RF PXI de dernière génération se caractérisent par des FPGA programmables par l'utilisateur, des bus de données à haut débit, les tout derniers CPU, ainsi qu'un logiciel de conception de systèmes capable de gérer tous ces éléments (en bas).

Ce qui prend un certain temps et augmente du même coup les temps de test. Le temps passé à effectuer ces mesures spectrales dépend essentiellement de la vitesse de balayage de l'oscillateur local. Le processus de transfert des données vers le PC, pour analyse ou enregistrement, n'a lui que peu d'incidence sur la vitesse des mesures. En effet, les mesures RF prennent habituellement des dizaines, voire des centaines de millisecondes, à comparer aux quelques millisecondes de latence introduite par le contrôle d'un instrument sur bus LAN ou GPIB. Dans ces conditions, il est inutile d'espérer accé-lérer les tests en utilisant un busdecommu-nication plus rapide.

Lorsqu'on souhaite adapter son analyseur de spectre à de nouveaux standards, on bute sur le fait que l'essentiel des fonctionnalités de l'instrument a été choisi et définies par son fabricant pour satisfaire le plus grand nombre d'utilisations possibles au moment où l'instrument a été développé. Un tel concept n'est pas adapté à notre sens aux besoins actuels des technologies sans fil. Ceux qui optent pour cette solution, doivent acquérir des variantes supplémentaires ou options logicielles spécifiques pour que leur analyseur supporte de nouveaux standards.

Aujourd'hui, la plupart des analyseurs de signaux RF, tels que ceux proposés par NI au format PXI, sont basés sur une approche numérique. Ce qui accélère considérablement les mesures spectrales en comparaison à celles réalisées par des instruments basés sur le principe de l'analyse de spectre à balayage. Contrairement à l'analyseur de spectre traditionnel,la vitesse des mesures des instruments numériques est habituellement limitée par les performances des composants internes comme les blocs de prétraitement numérique (abaisseur de fréquences numériques), le bus de transfert de données, l'unité de traitement, et les algorithmes de traitement de signaux. Cependant,la plupart des nouveaux analyseurs de spectres et des instruments PXI partagent une architecture relativement semblable. Il convient toutefois de noter un certain nombre de différences majeures.

Comme les instruments au format PXI, la plupart des instruments “classiques” ont recours à une architecture PC. Mais l'automatisation des mesures nécessite une étape supplémentaire pour transférer le résultat obtenu vers le PC de contrôle du système de test. En outre, une caractéristique tout à fait singulière du PXI est que l'utilisateur peut choisir les caractéristiques de son CPU (processeur central), dont les performances ont une très grande incidence sur la vitesse des mesures. Ainsi, pour gagner en cadence, il suffit souvent de remplacer le contrôleur PXI par un modèle plus performant.

Les FPGA ont vu leur puissance de calcul (mesurée en GMACS, c'est-à-dire en milliards d'instructions de multiplication avec accumulation par seconde) augmenter de façon impressionnante ces dix dernières années. Ces composants programmables sont devenus essentiels pour réduire les temps de test à moindre coût.

Les appareils classiques et la dernière génération d'instruments PXI intègrent également des composants programmables FPGA, afin d'effectuer localement et plus efficacement certains traitements du signal. Mais il existe des modules PXI qui offrent la possibilité à l'utilisateur de programmer le circuit FPGA. Cela permet par exemple d'optimiser l'exécution des algorithmes à virgule flottante et fixe entre le FPGA et le CPU. Mais on peut aller beaucoup plus loin comme par exemple avec le transcepteur de signaux vectoriels qu'a lancé NI l'été dernier sur le marché. Cet instrument, qui intègre un générateur et un analyseur dans le même module PXI ( voir encadré ), est doté d'un FPGA autorisant sa personnalisation jusqu'au firmware de l'instrument. Programmables, ou tout du moins accessibles à l'utilisateur, le CPU, le FPGA, le bus de données et les algorithmes de traitement de signaux, forment le cœur de la nouvelle génération d'instruments RF et HF. L'utilisation de processeurs multi-cœurs, de FPGA programmables par l'utilisateur, d'un bus de données rapide comme le PCI Express et d'un logiciel ouvert contribue à améliorer les performances et la souplesse du système.

La majeure partie du temps passé dans la chaîne de mesure est consacrée aux calculs effectués (par le CPU) sur les données numérisées. Chacun de ces calculs, complexes, mobilise un certain nombre de cycles d'horloge du CPU. Il est notamment important de disposer d'un processeur hautes performances pour effectuer des mesures comme l'EVM (amplitude de vecteur d'erreur) et l'ACLR (taux de fuite entre canaux adjacents). C'est pourquoi il convient d'adopter une approche modulaire non seulement pour l'équipement de mesure, mais aussi pour le moteur de calcul. Un tel système s'adapte plus facilement aux performances requises qu'un appareil dans un boîtier aux fonctionnalités figées et dont l'unité centrale ne peut être changée.

En adoptant un système de test modulaire intégrant tous les instruments dans un seul et unique châssis PXI, des fabricants de composants électroniques pour la communication sans fil tels que Triquint ont pu réduire considérablement les temps de nécessaires au test de caractérisation des amplificateurs de puissances RF.

Bon nombre d'algorithmes RF sont bien adaptés au traitement mathématique effectué dans le flux de données de l'instrument, c'est-à-dire indépendamment du microprocesseur. Les conversions ascendante et descendante numériques ainsi que le rééchantillonnage fractionnel ne sont que quelques exemples pour lesquels les FPGA sont devenus essentiels pour réduire les temps de test à moindre coût. Par ailleurs, les besoins en traitement de signaux d'un système de test risquent fort d'évoluer dans le temps avec l'arrivée de nouveaux standards, la nécessité d'améliorer les algorithmes ou encore à cause de changements de l'unité sous test. Dans ces conditions, la possibilité de modifier le code au sein même du FPGA de l'instrument permet de s'adapter à ces évolutions sans remettre en cause le matériel de test. L'accès au FPGA est aussi crucial dans les systèmes à base d'émetteur/récepteur pour lesquels il peut être nécessaire de prendre rapidement une décision entre la réception d'informations et la génération d'une réponse. Tester des éléments tels que les étiquettes RFID peut surcharger de façon importante ces temps de réponse à boucle fermée, mais accéder aux FPGA à la fois dans le flux de données et dans le cœur même de l'instrument constitue une bonne solution.

Cela s'avère aussi vrai avec les systèmes protocol aware qui consistent à utiliser une couche d'abstraction suffisante pour que l'utilisateur n'ait pas à se soucier du langage ou du bus utilisé (SPI, I 2 C…). On implémente la communication bas niveau sur un circuit FPGA d'une carte FlexRIO ou d'un VST ( voir encadré ) et on ne s'en préoccupe plus. Le composant gère la communication au plus bas niveau et au plus près de l'unité sous test.

Ainsi, en construisant les spécificités du protocole dans le FPGA, il devient possible de faire abstraction de la programmation à un niveau suffisamment élevé pour se concentrer sur les informations transmises ou reçues, sans se soucier des détails de bas niveau de la communication du protocole.Cela rend possible la réalisation de systèmes de mesure nettement plus modulaires au niveau du code et permet de mieux faire face aux changements ou à l'évolution des protocoles.

Encore faut-il que la programmation des FPGA soit à la portée de tout ingénieur de test RF. Ce qui n'était pas vraiment le cas avec les approches VHDL ou Verilog qui exigeaient une certaine expertise. Heureusement, des outils logiciels de plus haut niveau tels que le module LabVIEW FPGA rendent aujourd'hui accessibles la programmation des FPGA au plus grand nombre.

Un bus PCI Express comme autoroute de données

Les mesures RF et HF pour la surveillance de spectre mettent souvent en œuvre de gros volumes de données (des centaines de mégaoctets, de gigaoctets, voire de téraoctets). Par conséquent, il vaut mieux employer la technologie de bus informatique présentant la bande passante la plus élevée et la latence la plus faible possible pour maintenir le transfert en flux continu d'un maximum de données. Le bus PCI Express et ses évolutions successives sont adaptés au transfert rapide des gros volumes de données vers la mémoire vive du PC ou encore sur des disques RAID pour un traitement en différé.

La génération 2 du bus PCI Express propose en effet des performances deux fois plus élevées que sur la version 1.0.La bande passante totale d'un lien en x16 peut atteindre 16Go/s, ce qui double les 8Go/s qu'offrait la version 1.0. Et la génération 3, qu'on peut s'attendre à voir apparaître en version PXI Express, double à son tour les performances de la génération 2.

Contrairement aux bus GPIB ou au réseau LAN employés dans l'instrumentation traditionnelle, le bus PCI Express assure l'accès à davantage d'informations et, permet par conséquent,d'avoir une idée plus précise des performances de l'unité sous test. Les systèmes de test PXI qui exploitent nativement ce bus en profitent donc pleinement.

Couramment utilisé dans des applications de test et mesure, LabVIEW présente au moins deux atouts pour les systèmes de test RF. Premièrement, le langage graphique par flux de données qui lui est propre répond aux exigences de transfert rapide et en continu de grands volumes de données RF ( streaming ). En effet, sa capacité intrinsèque à représenter le parallélisme du code facilite considérablement la programmation des processeurs et des FPGA. Ce qui est loin d'être le cas avec les autres langages de programmation.

Deuxièmement, LabVIEW est un outil de conception de systèmes qui rend possible la gestion et l'intégration de l'ensemble des éléments nécessaires à la construction d'un système RF, à savoir: les processeurs, les FPGA, les entrées/sorties et les IP (propriétés intellectuelles). C'est là un aspect important car souvent, la plate-forme qui réunit ces éléments est aussi difficile à développer que les éléments eux-mêmes. La capacité de LabVIEW à remplir cette fonction peut faire gagner des centaines de milliers d'heures/ homme en développement de code. Ce gain de productivité est crucial lors de la conception de systèmes de test RF.

Les techniques de transmission MIMO ( Multiple Input, Multiple Output ) constituent un bon moyen d'accroître la bande passante pour un même protocole et dans une même gamme de fréquences.Mais il est alors essentiel que la génération et l'acquisition soient en cohérence de phase. Or, avec les instruments classiques, sous forme de boîtiers, il faut faire appel au bouclage par verrouillage de phase de plusieurs oscillateurs à partir d'une horloge de référence commune de 10 MHz partagée entre plusieurs appareils. Ce qui a pour conséquence que la boucle à verrouillage de phase (PLL pour Phase - Looked Loop ) de chaque instrument présente un bruit de phase différent sur chaque voie. L'approche du matériel modulaire ( figure n° 2 ) résout ce problème avec un oscillateur local partagé entre plusieurs modules de génération ou d'acquisition ; ce qui implique un bruit de phase identique sur les différents ports RF.

Caractérisation d'amplificateur de puissance

Lorsqu'il s'agit de programmer des systèmes MIMO, mieux vaut utiliser des interfaces de programmation d'applications de haut niveau ainsi que des modèles de programmation de synchronisation bien conçus, afin de minimiser la difficulté liée aux flux de données issues d'un grand nombre de sources. A ce titre, le parallélisme natif de l'environnement LabVIEW est avantageux car il offre un moyen intuitif de représenter les systèmes MIMO et de surmonter leur complexité. En outre, dans le cas de l'instrumentation proposée par National Instruments, les drivers d'instruments NI-RFSA et NIRFSG, compatibles IVI, ainsi que le driver NI-RIO pour les FPGA programmables par l'utilisateur, permettent de faire abstraction des détails de bas niveau.

Le test d'un circuit RF comme un amplificateur de puissance exige le recours à divers instruments RF (générateurs et analyseurs) ainsi que d'autres matériels tels que des générateurs numériques, des générateurs de signaux arbitraires et des simulateurs de batterie. Il faut synchroniser tous ces instruments afin d'optimiser les temps de test de chacun sur les différents protocoles de communication sans fil que l'amplificateur de puissance est censé supporter.

Le générateur de signaux arbitraires est utilisé comme entrée de gestion de contrôle du gain pour le signal “bursté”; le générateur de signaux vectoriels génère des stimuli multibandes pour représenter chacune des bandes de communication sans fil que supporte l'amplificateur de puissance; l'analyseur de signaux vectoriels capture l'amplitude et la phase pour analyser la puissance, l'efficacité et la modulation; le simulateur de batteries sert de source d'alimentation pour l'amplificateur de puissance avec des temps transitoires réduits et des courants élevés (comme pour une batterie); et le générateur numérique contrôle l'unité sous test au travers de protocoles numériques courants tels que SPI et I 2 C.

L'instrumentation RF de nouvelle génération est bien adaptée à ce type de tests.Elle permet en effet d'affecter un ou des circuits FPGA à l'exécution de certains algorithmes, de profiter du traitement multicœur sur les CPU, de transmettre sur le bus PCI Express les signaux vers des générateurs et les grands volumes de données issues des analyseurs, et enfin de profiter de LabVIEW pour orchestrer tous les modules de code répartis sur plusieurs interfaces de programmation d'applications.

L'instrumentation RF laisse la main aux utilisateurs

Intégrés depuis des années dans les instruments RF traditionnels, les circuits FPGA sont exploités pour leur capacité de traitement temps réel, particulièrement précieux dans le domaine RF (radiofréquences).

Malheureusement, si ce type de circuit est censé être reconfigurable, l'utilisateur n'y a pas accès.

Tout comme il n'a pas accès à l'âme de l'instrument: son firmware.

Avec la nouvelle génération d'instruments RF, le FPGA devient accessible à l'utilisateur, qui dispose ainsi d'une capacité de personnalisation et d'évolutivité sans précédent. Cette possibilité a vu le jour il y a quatre ans avec la carte FlexRIO: un module PXI intégrant un FPGA utilisable en conjonction avec des instruments modulaires au même format. Programmable avec LabVIEW, le FPGA de la carte FlexRIO répond à une grande partie de nouveaux besoins relatifs à la mesure RF, en termes de performances mais aussi de personnalisation face à la multiplicité des protocoles.

Un autre cap a été franchi en août 2012, avec l'introduction du transcepteur de signaux vectoriels (VST). Lauréat des trophées de l'innovation Enova 2012, ce nouveau type d'instrument combine, dans un même module PXI, à la fois un analyseur de signaux vectoriels, un générateur de signaux vectoriels, des E/S numériques et un FPGA programmable par l'utilisateur. Au-delà de la compacité qu'apporte cette intégration, l'intérêt d'un tel instrument réside dans la possibilité offerte à l'utilisateur d'implémenter les algorithmes qu'il souhaite sur le FPGA, comme avec la carte FlexRIO. Il peut aller beaucoup plus loin, en modifiant directement le firmware de l'instrument, c'est-à-dire sa personnalité.

Cette ouverture du matériel à l'utilisateur répond, de façon à la fois spécifique et évolutive, aux besoins de tests WLAN 802.11ac, d'émulation de canal de transmission, d'asservissement en puissance d'un amplificateur de puissance, de modulation/démodulation temps réel, d'enregistrement et de relecture RF… Tout cela en recourant à un seul matériel, et au seul environnement de programmation NI LabVIEW FPGA.

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