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 signal generator RF 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 30 MHz à 26,5 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. Reportez-vous au document de spécifications pour en savoir plus.}

^{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. Font partie de ses applications la validation de conception et les tests en production sans fil Wi-Fi 7 et 5G, le prototypage et le sondage de voie pour la recherche à un niveau sub-THz (6G), la validation et la caractérisation RFIC pour les PA et les émetteurs/récepteurs pour les matrices à balayage électronique (ESA) et les communications sans fil, la caractérisation ESA utilisant des modules de transmission/réception numériques (DTRM), la validation des systèmes de radar et les tests de validation des communications et du renseignement électromagnétique.

Le PXIe-5842 comprend un signal generator RF et un analyseur de signaux RF hautes performances. Les deux instruments utilisent une conversion directe de I/Q en 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
• Capacités d’impulsion RF
• Interface numérique pour le streaming de données

Large gamme de fréquences

Le PXIe-5842 est le premier VST à offrir une couverture de fréquence continue de 30 MHz à 26,5 GHz en 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. Grâce au double synthétiseur de pointe (PXIe-5655) allié à la couverture haute fréquence, vous pouvez utiliser le PXIe-5842 pour diverses applications aérospatiales et de défense (A/D/G) des bandes VHF aux bandes K, comme la simulation de cibles de radar et la surveillance du spectre dans la guerre électronique et les communications par satellite, ou pour le test paramétrique des composants des matrices à balayage électronique (ESA) 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.

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.

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

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 :

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

^{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 -52 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 signal generators et analyseurs 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.}

Capacités d’impulsion RF

Dans les systèmes de communication et de radar modernes et sophistiqués, les capacités avancées d’impulsion RF sont devenues un moyen essentiel de conception, de test et d’optimisation. Les capacités d’impulsion englobent un éventail de fonctions, du cadencement de précision à la génération de signaux et l’analyse des transitoires, en passant par la modulation de WaveForm. Les technologies d’impulsion RF offrent aux ingénieurs et aux chercheurs de nouvelles opportunités en termes de performances, de robustesse et d’efficacité dans un large éventail d’applications.

Le VST PXIe-5842 possède désormais des connexions d’entrée et de sortie d’impulsions dédiées, qui se trouvent sur la face-avant de l’instrument. La chaîne de signaux RF intégrée permet d’utiliser une vaste gamme de largeurs d’impulsion, de définir des intervalles de répétition des impulsions (PRI) et d’optimiser les ratios marche/arrêt par rapport à la largeur d’impulsion pour les capacités de génération d’impulsion natives dans les communications, les systèmes de contrôle et les applications radar et guerre électronique. Vous pouvez contrôler la modulation d’impulsion en utilisant des marqueurs basés sur l’échantillonnage dans une WaveForm générée ou en externe avec le connecteur d’entrée Pulse In dédié qui est optimisé pour une latence et un jitter faibles. Un déclencheur numérique peut également être aligné sur le front d’impulsion RF et exporté à partir du connecteur Pulse Out dédié.

^{Figure 9 : Conditions : Mesuré avec un signal CW à 1 GHz. Largeur d’impulsion 100 ns ; rapport cyclique de 10 % ;Source de modulation d’impulsion : PulseIn ;Mode de modulation d’impulsion : Analogique.} 

^{Figure 10 : Conditions : Ratio marche/arrêt de 30 MHz à 26,5 GHz. Niveau de puissance pour chaque point de fréquence défini à la puissance de sortie maximale spécifiée.} 

Le VST peut générer et mesurer des WaveForms RF pulsées à l’aidede RFmx Pulse, une personnalité de mesure intégrée àRFmx, et du logicielInstrumentStudio™.. Offrant la possibilité d’implémenter différents types d’impulsion, schémas de modulation et mesures, RFmx Pulse permet de rendre les mesures d’impulsion intuitives tout en travaillant aux côtés de personnalités existantes telles que RFmx SpecAn, RFmx DeMod, RFmx Phase Noise, etc., pour un ensemble plus complet de mesures RF pour des usages tels que les mesures spectrales générales destinées aux radars et aux tests paramétriques et fonctionnels pour la guerre électronique, la caractérisation des matrices à balayage électronique et les tests TRM numériques au niveau de l’application.

^{Figure 11 : Génération d’impulsion RFmx et analyse de la stabilité d’une WaveForm.}

^{Figure 12 : Présentation par RFmx Pulse d’une trace d’amplitude d’une WaveForm pulsée.}

Interface numérique pour le streaming de données

Le VST de troisième génération est doté d’une interface numérique flexible capable d’établir des communications parallèles et série haute vitesse avec un module coprocesseur. Tout comme la génération précédente de VST, le port d’E/S numériques sur la face-avant du PXIe-5842 sert de port polyvalent capable de transmettre rapidement des données série à 12 Gbit/s sur quatre lignes de transmission et quatre lignes de réception, ou d’interface numérique parallèle haute vitesse à huit ports connectée au FPGA embarqué sur le VST.

L’interface série haute vitesse composée de quatre émetteurs/récepteurs multi-gigabits (MGT) avec quatre voies TX et quatre voies RX par connecteur capables d’atteindre jusqu’à 16 Gbps par ligne de transfert de données est une nouveauté sur le VST PXIe-5842. Cette fonctionnalité permet aux utilisateurs de connecter le VST à un module FPGA série haute vitesse externe, tel que le NI PXIe-7903, qui assure un streaming à des vitesses de données maximales pour des applications à large bande passante tout en maintenant une synchronisation étroite avec des modules de traitement des signaux numériques en temps réel hautement intégrés.

Lorsqu’il est accompagné d’un coprocesseur série haute vitesse, le VST prend en charge des applications et des produits qui ont besoin de toute la bande passante du VST, comme la télémétrie SATCOM et la validation de liaison de données, la formation de faisceaux RF et la radiogoniométrie, la surveillance du spectre à large bande ainsi que l’enregistrement et la relecture RF. Pour les utilisateurs effectuant des recherches 6G sub-THz, l’association du VST de troisième génération avec l’instrument série haute vitesse PXIe-7903 permet un streaming de données I/Q en temps réel jusqu’à 4 GHz de bande passante instantanée vers et depuis le matériel.

En savoir plus sur la recherche et le prototypage 6G sub-THz.

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 signal generator ou l’analyseur de signaux RF pour mettre au point et obtenir des résultats de mesure rapides. Par exemple, sur la figure 13, la face-avant logicielle permet aux ingénieurs de configurer le VST pour une mesure de puissance de voie adjacente (ACP).

^{Figure 13 : Les utilisateurs peuvent configurer le VST pour des mesures rapides en utilisant les faces-avant logicielles RFmx.}

^{Figure 14 : 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 14 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 15 : Configuration typique pour les tests de validation PA dans des conditions DPD}

Test de production 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 16 : 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 d’émission « réaliste » et « en temps réel » est difficile à respecter car elle implique une latence et un déterminisme faibles ; les systèmes numériques ont du mal à atteindre ces deux objectifs lorsque des bus de données et systèmes d’exploitation s’insèrent entre les chemins de réception et de transmission 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 17 : 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 est le seul produit PXI qui peut 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 très rapidement transférer leurs anciennes applications sur le nouveau PXIe-5842.

• En savoir plus sur les transcepteurs vectoriels PXI