En 2012, l'entreprise NI a présenté le concept de transcepteur de signaux vectoriels (VST). Cette technologie combine un générateur et un analyseur de signaux RF, ainsi qu'un FPGA puissant, le tout sur un seul module PXI. Le PXIe-5842 est le premier VST à offrir une couverture de fréquence continue allant de 50 MHz à 23 GHz. En comparaison avec les modèles antérieurs, il propose une bande passante instantanée doublée à 2 GHz, ainsi qu'une amélioration globale des performances RF sur des paramètres clés tels que l'amplitude du vecteur d'erreur (EVM) et la densité de bruit moyenne.
Les VST ont une grande variété d'applications dans la conception et les tests RF, et sont particulièrement adaptés aux applications nécessitant un stimulus et une réponse RF. Ils sont utilisés dans diverses applications telles que le test de production sans fil, la caractérisation de RFIC, le sondage de voies, le prototypage de radars, la collecte d'informations électromagnétiques et la radio logicielle.
I - Principales fonctionnalités du VST PXIe-5842
Le PXIe-5842 combine un générateur et un analyseur de signaux RF performants, avec conversion directe d’IQ à RF pour des mesures de qualité optimale.
Principales caractéristiques techniques :
- Large gamme de fréquences
- Large bande passante instantanée
- Frontal RF optimisé
- Oscillateur local (LO) hautes performances
- Architecture modulaire
1/ Large gamme de fréquences
Le PXIe-5842 offre une couverture de fréquence de 50 MHz à 23 GHz en un seul instrument, permettant de tester des applications et normes comme WLAN, UWB, Bluetooth, 5G NR et le prototypage radio. Le double synthétiseur de pointe PXIe-5655 associé à la couverture haute fréquence, permet une utilisation variée dans le secteur aérospatial et défense 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, ainsi que le test paramétrique des composants ESA couramment utilisés dans les systèmes de communication radar et par satellite.
Applications commerciales couvrant le spectre RF et la multiplication des SATCOM
2/ Large bande passante instantanée
Le PXIe-5842 est un VST de troisième génération offrant une couverture de fréquence continue de 50 MHz à 23 GHz en un seul instrument. Grâce à la combinaison du double synthétiseur PXIe-5655 avec une couverture haute fréquence, le PXIe-5842 est parfait pour des applications aérospatiales et de défense de la bande VHF à la bande K. Il est idéal pour simuler des cibles radar, surveiller le spectre dans les systèmes de guerre électronique et de communication par satellite, et pour tester des composants ESA utilisés dans les systèmes de communication radar et par satellite.
Algorithme DPD utilisant une bande passante de signal 5X
Le VST PXIe-5842 a été considérablement amélioré grâce à sa bande passante instantanée plus large de 2 GHz. Cette amélioration significative permet aux ingénieurs de répondre à des exigences d'applications plus complexes. Par exemple, lors des tests de périphériques 5G NR, de nombreuses porteuses 5G sont espacées de plusieurs centaines de mégahertz. Avec la large bande passante du PXIe-5842, les ingénieurs peuvent utiliser un seul instrument pour générer ou analyser plusieurs porteuses 5G NR.
Évolution de la bande passante pour les normes sans fil
3/ Frontal RF optimisé
Le PXIe-5842 est doté d'une conception innovante qui comprend trois chemins distincts pour le récepteur/émetteur de bande de base. Chaque chemin est conçu pour optimiser les performances du frontal RF dans différentes conditions de test :
- Le premier est un échantillonnage RF direct qui est utilisé pour les fréquences centrales inférieures à 1,75 GHz. Ce chemin est conçu pour simplifier la chaîne RF et éliminer les perturbations telles que les fuites LO et l'image de bande latérale résiduelle.
- Le deuxième est une bande de base à faible IF, optimisée pour les signaux à bande passante instantanée (IBW) pouvant atteindre 900 MHz et offrant une gamme dynamique élevée. Ce chemin utilise un décalage LO hors bande pour améliorer la réponse en fréquence et la densité de bruit moyenne de 3 dBm/Hz.
- Le troisième est une bande de base à IF nulle, qui est optimisée pour les signaux à large bande passante avec une IBW pouvant atteindre 2 GHz.
Diagramme simplifié du transcepteur de signaux vectoriels (VST) PXIe-5842
4/ LO hautes performances
Le VST PXIe-5842 se compose de deux composants clés: le module PXIe-5842 et le synthétiseur double LO hautes performances (le PXIe-5655). Ce dernier présente d'excellentes performances en termes de bruit de phase, ce qui contribue à une qualité de signal plus élevée et à une meilleure précision dans les mesures de test.
Bruit de phase en entrée RF mesuré du VST PXIe-5842
Les performances requises pour les frontaux RF des périphériques sans fil de nouvelle génération sont de plus en plus exigeantes en termes de linéarité et de bruit de phase, en raison de schémas de modulation d'ordre supérieur et de configurations multi-porteuses à large bande.
Pour répondre à ces exigences, les instruments de test pour les périphériques sans fil doivent fournir des performances RF encore plus précises. Le VST PXIe-5842 utilise des techniques d'étalonnage I/Q avancées et brevetées pour offrir les meilleures performances EVM pour les 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. Les performances peuvent être encore améliorées grâce à la technique de corrélation croisée brevetée de NI.
Périphérique 802.11be sous test avec PXIe-5842 et RFIC Test Software
La performance du bruit de phase est essentielle pour les systèmes radar modernes. Ces systèmes émettent une impulsion à une fréquence spécifique, puis mesurent le décalage de fréquence de l'impulsion renvoyée, qui est lié à la vitesse de l'objet observé par l'effet Doppler. De faibles performances en bruit de phase peuvent compromettre la capacité à traiter les informations Doppler.
Le module PXIe-5842 présente un bruit de phase typique de -80 dBc/Hz à 18 GHz et un décalage de 100 Hz, ce qui en fait un choix idéal pour la génération et l'analyse de cibles radar. Avec un temps de réglage LO typique de moins de 230 μs, le PXIe-5842 est capable de prendre en charge les applications nécessitant des sauts de fréquence à faible latence, ce qui est courant dans les industries de l'aérospatiale et de la défense.
5/ Modulaire et facile à synchroniser
Les normes de communication modernes reposent sur des technologies multi-antennes sophistiquées. Les configurations MIMO (Multiple-Input Multiple-Output) sont utilisées pour atteindre des débits de données plus élevés grâce à un plus grand nombre de flux spatiaux ou pour assurer une communication plus robuste grâce à la formation de faisceaux. Les technologies sans fil de la prochaine génération, telles que 802.11be ou 5G NR, utiliseront des schémas MIMO encore plus complexes, pouvant aller jusqu'à 128 antennes sur un seul périphérique.
Cependant, la technologie MIMO ajoute considérablement à la complexité de la conception et des tests, augmentant le nombre de ports sur un périphérique et introduisant des exigences de synchronisation multi-voies. Pour tester un périphérique MIMO, l'équipement de test RF doit être capable de synchroniser plusieurs générateurs et analyseurs de signaux RF, ce qui rend le facteur de forme de l'instrument et le mécanisme de synchronisation des éléments critiques.
PXIe-5842
Les ingénieurs peuvent synchroniser jusqu'à quatre VST de troisième génération dans un seul châssis PXI à 18 emplacements grâce à la surface d'encombrement compacte de ces VST. De plus, il est possible de synchroniser ces VST de manière cohérente en phase. Chaque module VST peut importer ou exporter le LO, ce qui permet à tous les modules de partager un LO commun. Pour synchroniser plusieurs instruments, les ingénieurs peuvent utiliser la technologie brevetée NI-TClk, disponible à travers l'API NI-TClk. Cette API facilite la synchronisation de plusieurs VST ou de VST avec d'autres instruments modulaires, que ce soit dans LabVIEW, C/C++ ou .NET.
Grâce à l’API NI-TClk, les ingénieurs peuvent synchroniser le VST avec d’autres instruments PXI
II - Outils logiciels VSP PXI
Le VST possède une architecture logicielle hautement évolutive, qui offre plusieurs options allant de l'initiation à la face-avant logicielle à une API de programmation de haut niveau. Pour les utilisateurs souhaitant une solution simple, l'option la plus accessible est l'initiation à la face-avant logicielle, qui permet une configuration rapide et facile du générateur ou de l'analyseur de signaux RF pour 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).
Les utilisateurs peuvent configurer le VST pour des mesures rapides en utilisant les faces-avant logicielles RFmx.
Mesure de puissance de voie dans RFmx
La deuxième option logicielle du VST repose sur NI RFmx, qui propose une API de programmation intuitive offrant à la fois une facilité d'utilisation et une configuration de mesure avancée. Les ingénieurs peuvent facilement démarrer en utilisant l'un des plus de 100 exemples de programmes disponibles en C, .NET et LabVIEW. Ces exemples sont conçus pour simplifier l'automatisation des instruments. Par exemple, ci-dessus nous pouvons voir comment mesurer la puissance de voie en utilisant un exemple RFmx LabVIEW qui ne nécessite que sept appels de fonction.
III - Applications VST PXI
1/ Validation RFFZ (Radio Frequency Front-End)
Les ingénieurs qui travaillent sur les frontaux RF pour les normes de bande large telles que la 5G et le Wi-Fi 6 doivent valider les nouveaux périphériques RF sur différentes bandes de fréquences, des scénarios de porteuses regroupées et des schémas de modulation de plus en plus complexes. Avec des marchés exigeant davantage d'efficacité et de linéarité, les ingénieurs doivent valider les performances de conception en utilisant les 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 clés de DPD : la caractérisation du comportement du périphérique, l'extraction du modèle, l'inversion du modèle et l'application de la prédistorsion aux échantillons IQ en bande de base. Le logiciel de test RFIC 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 alimentation électrique à suivi d'enveloppe (ETPS) 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 amplificateur de puissance 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, simplifiant ainsi le contrôle et la synchronisation du VST, d'un générateur de signaux arbitraires (AWG) à large bande passante et d'un numériseur haute vitesse.
Configuration typique pour les tests de validation PA dans des conditions DPD
2/ Test en production de RFFE
Les composants RFFE peuvent être testés en utilisant la plate-forme PXI pour les tests de fabrication, soit en tant que système autonome, soit en tant que partie intégrante 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 haute vitesse de NI pour une cadence de test élevée dans une tête de test complètement fermée, conçue pour les environnements de production.
Différentes solutions de test en production RFFE
3/ Génération de cible radar pour le test au niveau du système
Les ingénieurs qui assemblent les sous-systèmes pour créer un système radar fonctionnel ont besoin d'une solution de test à niveau système pour garantir la fonctionnalité de bout en bout une fois les sous-systèmes intégrés, y compris le logiciel de traitement radar. Le test de système radar nécessite la génération d'une impulsion cible reçue à partir d'une impulsion radar émise en temps réel pour répondre à l'exigence de réalisme et de déterminisme. Cette exigence est difficile à satisfaire pour les systèmes numériques qui ont des bus de données et des systèmes d'exploitation entre les chemins de réception et d'émission de l'ensemble de test, ce qui entraîne une faible latence.
NI propose des solutions basées sur le VST pour les ingénieurs qui effectuent des tests fonctionnels et de production de radars de base.
Composants de base du système radar
4/ Caractérisation des matrices à balayage électronique (ESA)
Les différents types de matrices à balayage électronique (ESA), notamment la matrice passive (PESA) et la matrice active (AESA), constituent la base des systèmes RF modernes utilisés dans les applications radar et de communication. Avec l'adoption de la technologie ESA, le nombre de composants électroniques dans les systèmes radar a connu une augmentation exponentielle au fil du temps. Le développement d'une ESA pour les communications radar ou par satellite implique un processus en plusieurs étapes, allant de la conception ou de la sélection des composants de base, à l'intégration et à la validation de ces éléments dans des modules et sous-ensembles fonctionnels, et enfin à la vérification du système une fois qu'il est intégré dans la matrice finale. Chaque étape comprend des éléments clés tels que la modélisation, la caractérisation et les tests en production, avec une corrélation tout au long du cycle de vie en tant qu'exigence essentielle.
NI propose des outils matériels et logiciels pour tester les éléments d'un système ESA.
5/ Système de validation des télémétrie et de liaison de données SATCOM
L'essor récent des orbites terrestres basses (LEO) et moyennes (MEO) a permis l'émergence de nouvelles applications satellitaires, telles que les réseaux non-terrestres (NTN) et la télédétection et l'imagerie haute résolution. Le développement de constellations de satellites, d'équipements au sol et de lanceurs pour soutenir ces nouveaux services implique l'utilisation de technologies de communication et de liaison de données innovantes, créant ainsi de nouveaux défis en matière de conception, de validation et de test en production.
NI offre une large gamme de solutions de validation matérielle et logicielle pour aider les clients à développer des systèmes de communication spatiale haute performance.
Conclusion
En raison de la complexité croissante des technologies sans fil, il est de plus en plus nécessaire de disposer d'instruments RF performants et polyvalents. Le PXIe-5842 est actuellement le VST PXI le plus performant disponible sur le marché et il est également le seul produit PXI capable de tester toutes les normes sans fil modernes telles que Bluetooth, Wi-Fi, 5G NR ou UWB, ainsi que les communications par satellite.
Le PXIe-5842 couvre une gamme de fréquences contiguës allant des bandes VHF aux bandes radar K. Avec une bande passante instantanée pouvant atteindre 2 GHz et des performances RF améliorées, le PXIe-5842 est capable de relever les défis les plus difficiles en matière de test et de mesure. De plus, le PXIe-5842 utilise les mêmes outils logiciels que la génération précédente de VST, ce qui permet aux clients de bénéficier d'une mise à niveau transparente et de transférer rapidement leurs anciennes applications vers le nouveau PXIe-5842.
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