Comprender los beneficios de LabVIEW FPGA y la instrumentación de RF diseñada por software

Por años, los ingenieros de pruebas han aprovechado los paquetes de software como LabVIEW para personalizar sistemas de medidas de RF y reducir los costos en comparación con los instrumentos tradicionales. Este enfoque no solamente ofrece flexibilidad, también brinda a los ingenieros de pruebas la habilidad de aprovechar el rendimiento proporcionado por la tecnología más reciente de PC, CPU y bus.

Aún así, para las aplicaciones de pruebas de RF más demandantes el CPU puede ser un cuello de botella; los CPUs tienen paralelismo limitado y los paquetes de software típicos resultan en latencias que pueden reducir el rendimiento del sistema de pruebas, en casos donde los estímulos de pruebas necesitan ser ajustados drásticamente en base a los valores de medidas o el estado del dispositivo bajo pruebas (DUT). Para rendimiento óptimo del sistema de pruebas de RF, el hardware de instrumentación personalizada es aconsejable en combinación con tecnología de PC multinúcleo, lo que ofrece a los diseñadores de sistemas de pruebas la habilidad de lograr un equilibrio de baja latencia y alto rendimiento que puede reducir enormemente los tiempos de pruebas.

Si bien el hardware de instrumentación comercial se ha corregido en habilidades, National Instruments está abriendo al proporcionar dispositivos de medidas más abiertos y flexibles basados en la tecnología de arreglo de puertas programables en campo (FPGA). En resumen, los FPGAs son chips digitales de alta densidad que el usuario puede personalizar, brindando a los ingenieros de pruebas la habilidad de incorporar sus algoritmos personalizados de procesamiento de señales y control al hardware de medidas. El resultado es hardware de RF que incorpora lo mejor de ambos mundos: tecnología de medidas fijas de alta calidad con medidas trazables garantizadas en los últimos formatos, junto con una lógica personalizable por el usuario que es altamente paralela, proporciona baja latencia, y está vinculado directamente a E/S para procesamiento en línea y ciclos de control estrictos.

El transceptor vectorial de señales de NI (NI VST) es un ejemplo de este hardware. Este dispositivo combina la funcionalidad de un generador vectorial de señales con un analizador vectorial de señales y también contiene un FPGA programable por el usuario para control y procesamiento de señales en tiempo real. Con la flexibilidad de un FPGA, el VST es ideal para disparos personalizados, control del DUT, medidas paralelas y procesamiento de señales digitales (DSP) en tiempo real.

Aunque los FPGAs están ampliamente disponibles para diseño personalizado de tarjeta y como parte de los dispositivos comerciales, los FPGAs personalizados por el usuario, a la fecha no han sido ampliamente adoptados en equipo comercial de instrumentación de RF. Esto se debe en gran parte al conocimiento especializado que se requiere para programar estos dispositivos; los lenguajes de descripción de hardware o HDLs generalmente requieren una curva de aprendizaje pronunciada y están limitados a los expertos de diseño digital.

El Módulo LabVIEW FPGA acerca la tecnología FPGA más reciente a una amplia variedad de ingenieros y científicos. Al usar la programación gráfica, usted puede implementar lógica que define el comportamiento de un instrumento de RF en hardware, como se muestra en la Figura 1. De hecho, la naturaleza gráfica del flujo de datos de LabVIEW es ideal para implementar y visualizar el tipo de operaciones paralelas que pueden ser implementadas en FPGAs. Aunque existen diferencias en la programación de FPGAs con LabVIEW que requieren más conocimiento, la curva de aprendizaje es substancialmente menor que con los HDLs.

^{Figura 1: Con el Módulo LabVIEW FPGA, usted puede usar código LabVIEW familiar para personalizar hardware de instrumentación. Para aplicaciones de RF, usted puede comenzar desde proyectos de ejemplo ya creados y añadir modificaciones para disparo personalizado, control del DUT, procesamiento de señales y más.}

Varios proyectos de ejemplo de LabVIEW FPGA están disponibles como un punto de inicio para sus aplicaciones de RF y pueden ser usados con dispositivos como NI VST. Específicamente, usted puede personalizar el FPGA de acuerdo a un paradigma de movimiento de datos de instrumentación (con disparos personalizados de inicio, paro y referencia presentados a través de una interfaz similar a un analizador o generador vectorial de señales) o de acuerdo a un paradigma de escritura (ideal para procesamiento de señales en línea o aplicaciones de grabación y reproducción).

Aprovechar el hardware basado en FPGA en sus sistemas de medidas de RF puede ofrecer un gran número de beneficios desde control del DUT de baja latencia hasta reducción de la carga del CPU. Las siguientes secciones describen con más detalle varios escenarios de uso.

Mejorar la instrumentación del sistema de pruebas con control DUT interactivo

En varios sistemas de pruebas de RF, el dispositivo o chip de RF debe ser controlado por señales digitales y protocolos personalizados. Los sistemas tradicionales de pruebas automatizadas tienen la habilidad de secuenciar a través de modos del DUT, realizando las medidas necesarias en cada etapa. En algunos casos, los sistemas de equipo de pruebas automatizadas (ATE) incorporan inteligencia para modificar las configuraciones del DUT de acuerdo a los valores de medidas recibidos.

En cualquiera de los escenarios, los instrumentos diseñados por software que incorporan un FPGA puede resultar en ahorros de costo y tiempo. Al consolidar tanto el procesamiento de medidas como el control digital en un solo instrumento se reduce la necesidad de E/S digital adicional en el sistema y se evita la necesidad de configurar disparos entre instrumentos. En casos donde el DUT debe ser controlado en respuesta a los datos de medida recibidos, la instrumentación diseñada por software puede cerrar el ciclo en hardware reduciendo la necesidad de tomar decisiones en software a una latencia significativamente más alta.

Disminuir el tiempo de pruebas y aumente la confianza con medidas en hardware

Aunque los sistemas basados en software de hoy en día pueden realizar un número limitado de medidas en paralelo, la instrumentación diseñada por software está limitada solamente por la lógica FPGA disponible. Pueden ser procesadas docenas de medidas o canales de datos con paralelismo de hardware verdadero, eliminando la necesidad de escoger entre medidas de interés. Los cálculos como Transformada Rápida de Fourier (FFT), filtros y modulación/demodulación pueden ser implementados en hardware, reduciendo la cantidad de datos que deben ser pasados y procesados por el CPU. Con instrumentos diseñados por software, la funcionalidad como máscara de espectro en tiempo real se puede alcanzar a una razón significativamente más alta que con los instrumentos tradicionales.

Además, la baja latencia asociada con la realizar medidas en hardware significa que al mismo tiempo que un sistema de prueba estándar puede haber tenido que realizar una sola medida, se pueden realizar y promediar decenas o cientos de medidas en vivo, como se muestra en la Figura 2. Esto se traduce en mejor calidad en los resultados de pruebas y mayor confianza para realizar sus medidas de RF. Además, ya que las medidas pueden realizarse continuamente en hardware y pueden ser muestreadas periódicamente desde una aplicación de pruebas principal, usted puede tener la seguridad de que nunca perderá datos importantes.

^{Figura 2: Con instrumentos diseñados por software, usted puede adquirir datos y realizar medidas continuamente (muestrear resultados periódicamente) en lugar de detener el proceso de adquisición para transferir información.}

Alcanzar condiciones óptimas en pruebas con retroalimentación de ciclo cerrado

Ciertas clases de pruebas de RF requieren que las configuraciones del DUT o cantidades de procesos ambientales y de manufactura varíen de acuerdo a las medidas recibidas; esto requiere un sistema de ciclo cerrado que a menudo está limitado por la latencia del paquete de software. En muchos casos, el ciclo puede ser cerrado directamente en hardware, eliminando la necesidad de calcular puntos de ajuste subsecuentes usando el CPU. Esto puede reducir los tiempos de pruebas de ciclo cerrado desde 10 segundos hasta fracciones de un segundo.

Enfocarse en datos de interés con disparos personalizados

Las opciones para comportamiento de disparo de baja latencia generalmente son establecidas de acuerdo al hardware de instrumentación usado. Sin embargo, con la instrumentación diseñada por software, usted puede incorporar funcionalidad personalizada de disparo en su dispositivo para enfocarse rápidamente en situaciones de interés. El disparo flexible basado en hardware significa que usted puede implementar máscaras de espectro personalizadas u otras condiciones complejas como criterio para capturar datos de medida importantes o para activar equipo de instrumentación adicional. Y al seleccionar datos de interés en hardware usted puede liberar el CPU para realizar otras tareas importantes.

Aunque esta nota técnica se enfoca principalmente en pruebas de RF, los ingenieros están reutilizando IP cada vez más en las etapas del diseño y pruebas; esto puede reducir considerablemente el tiempo para llegar al mercado y los gastos totales de pruebas. Con LabVIEW FPGA, los algoritmos de procesamiento de señales digitales se pueden definir y después reutilizarlos como parte de la validación del dispositivo o componente, eliminando la necesidad de generar código de pruebas desde cero. Esto garantiza el desarrollo acelerado de pruebas (el cual ofrece la habilidad de probar al inicio del ciclo de diseño), así como también mayor cobertura de pruebas, como se muestra en la Figura 3.

^{Figura 3: El IP puede se puede reutilizar entre las etapas de diseño y pruebas, reduciendo el tiempo de desarrollo y proporcionando cobertura de pruebas más completa.}

No hay duda que los instrumentos definidos por el proveedor y los instrumentos comerciales con habilidades corregidos se mantendrán disponibles por varios años. Sin embargo, ya que los dispositivos de RF cada vez más complejos y la presión sobre el tiempo para llegar al mercado ha llevado al crecimiento de los sistemas de instrumentación basados en software, la continuación de estas tendencias significa que los instrumentos diseñados por software jugarán en el futuro un papel cada vez más importante en las pruebas de RF y la instrumentación de pruebas.

La instrumentación diseñada por software proporciona el más alto nivel de flexibilidad, rendimiento y preparación para el futuro disponibles hasta la fecha con hardware estándar. Conforme los requerimientos de su sistema cambian, los instrumentos diseñados por software permiten no solamente que su inversión en software se conserve en diferentes piezas de E/S modular y también que su E/S existente pueda ser modificada de acuerdo a la aplicación actual.

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