Introducción al transceptor vectorial de señales PXI de tercera generación PXIe-5842

NI introdujo el concepto de un transceptor vectorial de señales (VST) en 2012. Un VST combina un generador de señales de RF, un analizador de señales de RF y un potente FPGA en un solo módulo PXI. El VST PXIe-5842 es el primer VST que ofrece una cobertura de frecuencia continua desde 30 MHz hasta 26.5 GHz. Duplica el ancho de banda instantáneo disponible en los modelos anteriores a 2 GHz y proporciona mejoras en el rendimiento de RF en métricas clave como magnitud del vector de error (EVM) y densidad de ruido promedio.

^{Tabla 1: PXIe-5842 Especificaciones Consulte el documento de especificaciones para obtener más información.}

^{Figura 1: Introducción al transceptor vectorial de señales PXI de tercera generación PXIe-5842}

Como resultado, los VST sirven para una amplia variedad de aplicaciones de pruebas y diseño de RF y son ideales para aplicaciones que requieren un estímulo de RF y una respuesta de RF. Las aplicaciones de ejemplo incluyen pruebas de producción y validación de diseño inalámbrico Wi-Fi 7 y 5G, creación de prototipos y sondeo de canales para investigación sub-THz (6G), validación y caracterización RFIC para PA y transceptores para matrices escaneadas electrónicamente (ESA) y comunicaciones inalámbricas, ESA caracterización utilizando módulos de transmisión/recepción digitales (DTRM), validación del sistema de radar y pruebas de validación de inteligencia de señales y comunicaciones.

El PXIe-5842 cuenta con un analizador de señales de RF y un generador de señales de RF de alto rendimiento. Ambos instrumentos usan conversión directa de IQ a RF y están optimizados para una excelente calidad de medidas.

Características técnicas clave:

• Amplio rango de frecuencia
• Amplio ancho de banda instantáneo
• Frente de RF optimizado
• Oscilador local (LO) de alto rendimiento
• Arquitectura modular
• Capacidades de pulsos de RF
• Interfaz digital para transmisión de datos

Amplio rango de frecuencia

El PXIe-5842 es el primer VST que ofrece cobertura de frecuencia continua de 30 MHz a 26.5 GHz en un solo instrumento. Las aplicaciones y estándares que van desde WLAN, ultra-wideband (UWB), Bluetooth, 5G NR y generación de prototipos de radio ahora se pueden probar con un instrumento capaz y versátil. La combinación del sintetizador dual de vanguardia (PXIe-5655) con la cobertura de alta frecuencia significa que puedes usar el PXIe-5842 para varias aplicaciones aeroespaciales y de defensa (A/D/G) desde las bandas VHF a K, como simulación de objetivos de radar, monitoreo del espectro en la guerra electrónica y comunicaciones por satélite, o para pruebas paramétricas de componentes de matrices escaneadas electrónicamente (ESA) comúnmente utilizados en sistemas de comunicación de radar y satélite.

^{Figura 2: Aplicaciones comerciales que abarcan el espectro de RF y la proliferación de SATCOM}

Amplio ancho de banda instantáneo

Los estándares inalámbricos actuales, como Wi-Fi o 5G NR, usan canales de ancho de banda significativamente más amplios para lograr velocidades de datos pico más altas. El último estándar Wi-Fi 802.11be define un ancho de banda de canal máximo de 320 MHz. El estándar 5G NR define un ancho de banda de canal máximo de 400 MHz en el FR1. Estos estándares continuarán evolucionando con mayor soporte de ancho de banda de canal en los próximos años.

Además, los requisitos de ancho de banda del instrumento a menudo superan el ancho de banda del canal de comunicaciones inalámbricas. Por ejemplo, cuando se prueban amplificadores de potencia (PA) de RF en condiciones de predistorsión digital (DPD), el propio equipo de pruebas debe extraer un modelo de PA, corregir el comportamiento no lineal y luego generar una forma de onda corregida. Los algoritmos DPD avanzados generalmente requieren de tres a cinco veces el ancho de banda de la señal de RF. Como resultado, los requisitos de ancho de banda del instrumento pueden ser de hasta 2 GHz para 5G NR FR1 (señal de 400 MHz) y 1.6 GHz para 802.11be (señal de 320 MHz).

^{Figura 3: Algoritmo DPD utilizando 5 veces más ancho de banda de señal}

Una mejora significativa del VST PXIe-5842 es su ancho de banda instantáneo más amplio de 2 GHz. Este ancho de banda más amplio significa que los ingenieros pueden resolver aplicaciones más desafiantes. Por ejemplo, en las pruebas de dispositivos 5G NR, muchas de las portadoras 5G están separadas por varios cientos de megahertz. Con el amplio ancho de banda del PXIe-5842, los ingenieros pueden usar un solo instrumento para generar o analizar múltiples dispositivos 5G NR en lugar de usar múltiples instrumentos.

Además, los sistemas de radar de banda ancha generalmente requieren hasta 2 GHz de ancho de banda de señal para capturar señales pulsadas con precisión. Además, en los sistemas de monitoreo del espectro, el ancho de banda del instrumento puede mejorar drásticamente la velocidad de escaneo. Finalmente, el amplio ancho de banda de la señal es un requisito esencial para muchas aplicaciones de investigación avanzada.

^{Tabla 2: Evolución del ancho de banda del canal para estándares inalámbricos}

Frente de RF optimizado

El diseño del PXIe-5842 tiene tres rutas de banda base de receptor/transmisor distintas que optimizan el frente de RF para obtener el mejor rendimiento en cada condición de prueba:

• Ruta de muestreo de RF directa para frecuencias centrales por debajo de 1.75 GHz. Esta ruta permite una cadena de RF más simple, lo que da como resultado una generación y adquisición sin deformaciones como la fuga de LO y la imagen de banda lateral residual.
• Ruta de banda base de baja IF optimizada para alto rango dinámico para señales con ancho de banda instantáneo (IBW) de hasta 900 MHz. En esta ruta, el generador de señales y el analizador de señales compensan el LO a una frecuencia fuera de banda que permite una mejor respuesta de frecuencia y una mejor densidad de ruido promedio en 3 dBm/Hz.
• Ruta de banda base Zero IF, que está optimizada para señales de amplio ancho de banda con un IBW de hasta 2 GHz.

^{Figura 4: Diagrama de bloques simplificado del transceptor vectorial de señales (VST) PXIe-5842}

LO de alto rendimiento

El VST PXIe-5842 está compuesto por el módulo PXIe-5842 y el sintetizador LO dual de alto rendimiento, el PXIe-5655, que tiene un excelente rendimiento de ruido de fase.

^{Figura 5: VST PXIe-5842 ruido de fase de entrada de RF medido}

Los dispositivos inalámbricos de la próxima generación tienen requisitos de rendimiento de EVM aún más estrictos. Con esquemas de modulación de orden superior y configuraciones de señal de múltiples dispositivos de banda ancha, los frentes de RF de los actuales dispositivos inalámbricos requieren una mejor linealidad y ruido de fase para brindar el rendimiento de modulación requerido. En consecuencia, la instrumentación para la prueba de dispositivos inalámbricos debe ofrecer un rendimiento de RF aún más preciso. El VST PXIe-5842 utiliza técnicas de calibración IQ avanzadas y patentadas para ofrecer el mejor rendimiento de magnitud del vector de error (EVM) en su clase para señales de banda ancha. Por ejemplo, para una forma de onda 802.11be, 320 MHz, 4096-QAM, 12 dB, el PXIe-5842 alcanza una EVM de -52 dB. Este rendimiento se puede mejorar aún más utilizando la técnica de correlación cruzada patentada de NI, disponible a través de nuestro RFIC Test Software.

^{Figura 6: Dispositivo 802.11be bajo prueba con PXIe-5842 y RFIC Test Software}

Un buen ruido de fase es uno de los factores más críticos en un sistema moderno de radar. Los sistemas de radar funcionan transmitiendo un pulso a una frecuencia y luego midiendo el cambio de frecuencia del pulso devuelto, ya que el cambio está relacionado con la velocidad del objeto que se refleja a través del efecto Doppler. El rendimiento deficiente del ruido de fase degrada la capacidad de procesar la información Doppler. El PXIe-5842 tiene un rendimiento de ruido de fase típico de -80 dBc/Hz a 18 GHz y 100 Hz de desfase, lo que lo convierte en un excelente candidato para generación y análisis de objetivos de radar.

Con un tiempo de sintonización LO típico por debajo de 230 µs, el PXIe-5842 puede soportar aplicaciones que requieren saltos de frecuencia de baja latencia comunes en la industria aeroespacial y de defensa.

Modular y fácilmente sincronizado

Los estándares de comunicación modernos utilizan tecnología sofisticada de múltiples antenas. En estos sistemas, las configuraciones de entrada múltiple y salida múltiple (MIMO) brindan una combinación de velocidades de datos más altas a través de flujos más espaciales o comunicaciones más sólidas a través de beamforming. Debido a estos beneficios de MIMO, las tecnologías inalámbricas de la próxima generación, como 802.11be o 5G NR, utilizarán esquemas MIMO más complejos con hasta 128 antenas en un solo dispositivo.

No es sorprendente que la tecnología MIMO agregue una significativa complejidad al diseño y las pruebas. No solamente aumenta la cantidad de puertos en un dispositivo, sino que también introduce requisitos de sincronización multicanal. Para probar un dispositivo MIMO, el equipo de pruebas de RF debe poder sincronizar múltiples analizadores y generadores de señales de RF. En estas configuraciones, el tamaño del instrumento y el mecanismo de sincronización son fundamentales.

^{Figura 7: Los ingenieros pueden sincronizar hasta cuatro PXIe-5842 en un solo chasis PXI de 18 ranuras.}

Con el tamaño compacto del VST de tercera generación, los ingenieros pueden sincronizar hasta cuatro VST en un solo chasis PXI de 18 ranuras. Además, los ingenieros pueden sincronizar el VST de manera completamente de fase coherente. En hardware, un VST puede importar o exportar el LO para que todos los módulos puedan compartir un LO común. En el software, usted puede usar la tecnología NI-TClk patentada de NI para sincronizar fácilmente múltiples instrumentos usando la API de NI T-Clk. Usando esta API, los ingenieros pueden sincronizar múltiples VSTs o incluso sincronizar VSTs con otros instrumentos modulares, ya sea en LabVIEW, C/C++ o .NET.

^{Figura 8: Con la API de NI-TClk, los ingenieros pueden sincronizar el VST con otros instrumentos PXI.}

Capacidades de pulsación de RF

En los sistemas modernos de comunicación y radar, las capacidades avanzadas de pulsos de RF han surgido como una forma fundamental de diseñar, probar y optimizar estos sofisticados sistemas. Las capacidades de pulso abarcan un espectro de funciones, desde temporización de precisión y modulación de pulso hasta generación de formas de onda y análisis de transitorios. Al aprovechar el potencial de la tecnología de pulsos de RF, los ingenieros e investigadores tienen la capacidad de desbloquear nuevas dimensiones de rendimiento, solidez y eficiencia en una amplia variedad de aplicaciones.

Las conexiones de entrada y salida de pulso dedicadas son nuevas en el PXIe-5842 y se encuentran en el panel frontal del instrumento. La cadena de señales de RF integrada permite una amplia variedad de anchos de pulso, intervalo de repetición de pulso (PRI) y la optimización de las relaciones de encendido/apagado frente al ancho de pulso para las capacidades nativas de generación de pulsos en comunicaciones, sistemas de control y aplicaciones de radar y guerra electrónica. Usted puede controlar la modulación de pulsos utilizando marcadores basados en muestras en una forma de onda generada o externamente con el conector de entrada de pulso dedicado que está optimizado para baja latencia y fluctuación. Un disparador digital también puede alinearse con el borde de pulso de RF y exportarse desde el conector de salida de pulso dedicado.

^{Figura 9: Condiciones: Medido con una señal CW a 1 GHz. Ancho de pulso 100 ns; ciclo de trabajo del 10%; fuente de modulación de pulsos: PulseIn; Modo de modulación de pulsos: Analógico.}

^{Figura 10: Condiciones: Relación de encendido/apagado de 30 MHz a 26.5 GHz. Nivel de potencia para cada punto de frecuencia establecido en la potencia de salida máxima especificada.} 

El VST puede generar y medir formas de onda de RF pulsadas utilizando RFmx Pulse, una personalidad de medidas integrada en RFmx, y el software InstrumentStudio™. Con la capacidad de implementar diferentes tipos de pulsos, esquemas de modulación y varias medidas, RFmx Pulse ayuda a que las medidas de pulso sean intuitivas mientras trabaja con personalidades existentes como RFmx SpecAn, RFmx DeMod, RFmx Phase Noise, etc. para un conjunto más completo de RF desde medidas espectrales generales hasta mediciones para pruebas paramétricas y funcionales de radar y guerra electrónica, caracterización de matrices escaneadas electrónicamente y pruebas digitales de nivel de aplicación de TRM.

^{Figura 11: Generación de RFmx Pulse y análisis de la estabilidad de una forma de onda pulsada.}

^{Figura 12: RFmx Pulse muestra el rastro de amplitud de una forma de onda pulsada.}

Interfaz digital para transmisión de datos

El VST de tercera generación cuenta con una interfaz digital flexible capaz de comunicación serial y en paralelo de alta velocidad a un módulo coprocesador. Al igual que el VST de generación anterior, el puerto de E/S digital en el panel frontal del PXIe-5842 sirve como un puerto de uso general, capaz de 12 Gbps de transmisión de datos seriales a través de cuatro líneas de transmisión y cuatro de recepción, o como una interfaz digital paralela de alta velocidad de ocho puertos conectada al FPGA dentro del VST.

La interfaz serial de alta velocidad es nueva en el PXIe-5842 VST y está compuesta por cuatro transceptores multi-gigabit (MGT), con cuatro canales TX y cuatro RX por conector, con capacidad de hasta 16 Gbps por línea de transferencia de datos. Con esta funcionalidad, los usuarios pueden conectar el VST a un módulo FPGA serial externo de alta velocidad, como el NI PXIe-7903, que permite la transmisión a velocidades de datos completas para aplicaciones de alto ancho de banda mientras se mantiene una estrecha sincronización con módulos de procesamiento de señales digitales en tiempo real de alta integración.

Cuando se acompaña de un coprocesador serial de alta velocidad, el VST sirve para aplicaciones y productos que requieren el ancho de banda completo, como validación de enlace de datos y telemetría SATCOM, beamforming de RF y detección de dirección, monitoreo de espectro de banda ancha y grabación y reproducción de RF. . Para los usuarios que realizan investigaciones sub-THz 6G, combinar el VST de tercera generación con el instrumento serial de alta velocidad PXIe-7903 permitirá la transmisión de datos I/Q en tiempo real y sostenida hasta 4 GHz de ancho de banda instantáneo hacia y desde el dispositivo.

Aprenda más sobre la investigación y la generación de prototipos de sub-THz 6G.

Uno de los atributos más exclusivos del VST es su arquitectura de software altamente escalable. El VST está diseñado con múltiples opciones de software que van desde una experiencia inicial con el panel frontal hasta una API de programación de alto nivel.

La opción de software más simple para el VST es la experiencia del panel frontal. Con el panel frontal, los usuarios pueden configurar rápida y fácilmente el generador o analizador de señales de RF para depurar dispositivos y obtener resultados rápidos de medidas. Por ejemplo, en la Figura 13, el panel frontal brinda a los ingenieros la capacidad de configurar el VST para una medida de potencia de canal adyacente (ACP).

^{Figura 13: Los usuarios pueden configurar el VST para medidas rápidas utilizando los paneles frontales de RFmx .}

^{Figura 14: Medida de potencia de canal en RFmx}

La segunda opción de software utiliza NI RFmx, que proporciona una API de programación intuitiva que ofrece facilidad de uso y configuración avanzada de medidas. Los ingenieros pueden comenzar con uno de los más de 100 programas de ejemplo en C, .NET y LabVIEW. Estos ejemplos están diseñados para simplificar la automatización de instrumentos. Por ejemplo, la Figura 14 ilustra una medida de potencia de canal usando un ejemplo de RFmx LabVIEW que usa solo siete llamadas de función.

Validación del frente de radiofrecuencia (RFFE)

Los ingenieros que trabajan en interfaces de RF para estándares de banda ancha, como 5G y Wi-Fi 6, deben validar los nuevos dispositivos de interfaz de RF en bandas de cada vez más frecuencia, escenarios de portadores agregados y esquemas de modulación cada vez más complejos. Dado que los mercados exigen una mayor eficiencia y linealidad, los ingenieros deben validar el rendimiento del diseño con los últimos algoritmos de predistorsión digital (DPD) y configuraciones de seguimiento de envolvente (ET) perfectamente sincronizadas en entornos de 50 y no 50 Ω.

La arquitectura de referencia de validación RFFE de NI realiza las cuatro operaciones DPD clave: caracterizar el comportamiento del dispositivo, extracción de modelos, inversión de modelos y aplicación de predistorsión a muestreos de IQ de banda base. El RFIC Test Software de NI permite a los clientes aplicar modelos DPD y observar el comportamiento del dispositivo de forma interactiva. 

El seguimiento de envolvente (ET) para amplificadores de potencia de banda ancha se basa en una fuente de alimentación ET (ETPS) para variar la fuente de alimentación de DC dinámicamente junto con la amplitud de una señal inalámbrica modulada. El seguimiento de envolvente mantiene un PA cerca de la compresión con la mayor frecuencia posible, mejorando así la eficiencia general. Para las pruebas de ET, la arquitectura de referencia de validación NI RFFE transforma múltiples instrumentos en una experiencia de medidas unificada y fácil de configurar que simplifica el control y la sincronización del VST, un generador de forma de onda arbitraria (AWG) de alto ancho de banda y un digitalizador de alta velocidad.

Aprenda más sobre las soluciones de NI para la caracterización de RFFE.

^{Figura 15: Configuración típica para pruebas de validación de PA bajo condiciones de DPD}

Prueba de producción RFFE

Los clientes pueden implementar PXI para pruebas de fabricación de componentes RFFE ya sea como un sistema independiente o como parte del sistema de pruebas de semiconductores (STS)de NI. El STS combina la plataforma NI PXI con el software de pruebas de NI de velocidad optimizada para un alto rendimiento de pruebas dentro de un cabezal de prueba completamente cerrado adecuado para entornos de producción.

^{Figura 16: Diferentes soluciones de pruebas de producción RFFE}

La cubierta del STS alberga todos los componentes clave de un probador de producción, incluyendo los instrumentos de prueba, la interfaz del dispositivo bajo prueba (DUT) y el mecanismo de acoplamiento del controlador/probador del dispositivo. Con el diseño STS modular y abierto, usted puede aprovechar los últimos módulos PXI estándar de la industria para obtener más instrumentación y poder de cómputo para reducir el costo total de la prueba de producción RFFE.

Aprenda más sobre las soluciones de NI para pruebas de producción RFFE de alto volumen.

Generación de objetivos de radar para pruebas a nivel de sistema

Cuando los subsistemas se ensamblan en un sistema de radar completamente funcional, los ingenieros requieren una solución de prueba a nivel del sistema para garantizar la funcionalidad de extremo a extremo una vez que todos los subsistemas estén integrados, incluyendo el software de procesamiento de radar. La prueba a nivel del sistema de radar requiere que un pulso objetivo recibido se genere a partir de un pulso de radar transmitido de manera realista/en tiempo real. Este requisito "realista" y "en tiempo real" es difícil ya que implica baja latencia y determinismo; ambas cosas son difíciles de lograr en los sistemas digitales cuando los buses de datos y los sistemas operativos se insertan entre la ruta de recepción y transmisión del equipo de prueba.  

NI ofrece soluciones construidas en base al VST para ingenieros que realizan pruebas básicas y funcionales de producción de radar. 

^{Figura 17: Componentes básicos del sistema de radar}

Caracterización de arreglo escaneado electrónicamente (ESA)

El arreglo escaneado electrónicamente (ESA) en sus diversas formas, incluyendo el arreglo escaneado electrónicamente pasivo (PESA) y el arreglo escaneado electrónicamente activo (AESA), es la base de los sistemas RF modernos en aplicaciones de radar y comunicaciones. Con el cambio hacia la tecnología ESA, la cantidad de componentes electrónicos en un sistema de radar ha aumentado exponencialmente con el tiempo. Ya sea para comunicaciones por radar o por satélite, el desarrollo de un ESA es un proceso de varios pasos que va desde el diseño o la selección de componentes fundamentales, la integración y validación de estos componentes en módulos y sub-ensambles funcionales y, finalmente, la verificación a nivel del sistema una vez integrado en el arreglo final. Cada etapa consta de modelado clave, caracterización y básicamente, pruebas de producción con la importancia de correlación a lo largo del ciclo de vida, un requisito clave.

NI proporciona las herramientas de hardware y software necesarias para probar los elementos de un sistema ESA.

Aprenda más sobre las soluciones de NI para validación de radar y caracterización ESA.

Sistema de validación de enlace de datos y telemetría SATCOM

La reciente comercialización de órbita terrestre baja (LEO) y órbita terrestre media (MEO) ha llevado a la introducción de aplicaciones modernas basadas en satélites como redes no terrestres (NTN) y sensores remotos e imágenes de alta resolución. Las constelaciones de satélites, el equipo terrestre y los vehículos de lanzamiento de apoyo desarrollados para dar soporte a estos nuevos servicios vienen con nuevas tecnologías de comunicación y enlace de datos que, a su vez, incluyen un nuevo desafío en el diseño, la validación del sistema y la prueba de producción.

NI ofrece una amplia variedad de soluciones de validación de hardware y software para ayudar a los clientes a desarrollar sistemas de comunicación espacial de alto rendimiento.

Conozca más sobre la solución de NI para sistemas de validación de enlaces de datos y telemetría SATCOM.

La mayor complejidad de las tecnologías inalámbricas ha creado una demanda de instrumentación de RF más capaz y versátil. El PXIe-5842 es el VST PXI de mayor rendimiento disponible y es el único producto PXI que se puede configurar para probar todos los estándares inalámbricos modernos como Bluetooth, Wi-Fi, 5G NR o UWB, así como comunicaciones satelitales. Proporciona una cobertura de frecuencia contigua que va desde las bandas de radar VHF hasta K. El ancho de banda instantáneo aumentado, combinado a 2 GHz con el rendimiento de RF mejorado garantiza que el PXIe-5842 podrá abordar incluso los desafíos de pruebas y medidas más difíciles. El PXIe-5842 comparte las mismas herramientas de software comunes con la generación anterior de VST, lo que significa que los clientes tendrán una experiencia de actualización perfecta y podrán migrar sus aplicaciones anteriores al nuevo PXIe-5842 rápidamente.

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